Chemische Processen in de Ruimte

Chemische Processen in de Ruimte van interstellaire stofwolken tot leven Ruud Visser Promovendus, Sterrewacht Leiden 16 februari 2010

Sterrewacht Leiden

Astrochemiegroep Prof. Ewine van Dishoeck Prof. Harold Linnartz Dr. Michiel Hogerheijde ±5 postdocs ±12 promovendi (aio s)

Indeling Introductie: de eerste moleculen Kringloop van elementen Chemische processen Hoe zou leven ontstaan kunnen zijn? Hoe detecteren we moleculen? Voorbeelden observaties en experimenten

Scheikunde Stoffen reageren met elkaar en worden iets anders Aardgas + zuurstof kooldioxide + water CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O

Periodiek systeem der elementen Combinaties van elementen geven chemische verbindingen = moleculen CH 4, O 2, CO 2, H 2 O,

Elementen in de ruimte

De eerste moleculen z t 7000 70.000 17 mjn 620 mjn 870 mjn 2,1 mjd 130.000 180 mjn Figuur door Karin Öberg

Kringloop van elementen Wolken van gas en stof De dood van een oude ster Stervorming Recycling van gas en stof Een nieuw zonnestelsel

Orion M. Spinelli

Orionnevel Kraamkamer van sterren NASA, ESA, M. Robberto (STScI/ESA)

Paardenhoofdnevel H + + e - H R. Steinberg & Family, A. Block, NOAO, AURA, NSF

Donkere wolken 99 massa% gas 1 massa% stof ( zand ) Temperatuur: -263 C (10 K) Dichtheid: ~10.000 deeltjes per kubieke cm (ten opzichte van 30.000.000.000.000.000.000 op aarde) Unieke omgeving voor reacties

Tijdschalen Botstijd deeltjes: ± 1 maand Reactietijd: ± 100.000 jaar Stervorming: ± 1.000.000 jaar Levensduur wolk: ± 10.000.000 jaar Levensduur ster: ± 10.000.000.000 jaar

Ster- en planeetvorming uitstroom Factor 1000 kleiner inval Wolk stort in t = 0 Roterende schijf t = 100.000 jr Planeetvorming t = 10 mln jr Zonnestelsel t > 100 mln jr Fig. by McCaughrean

Grootte schijf: 100-300 AE = 100-300 x Zon-Aarde = 2-6 x Zon-Pluto Protoplanetaire schijven (1)

Protoplanetaire schijven (2) Meer dan 50% van jonge sterren is omgeven door schijven Groottes schijven vergelijkbaar met ons eigen zonnestelsel Meestal genoeg massa voor het vormen van een zonnestelsel (10x massa van Jupiter)

Bouwstenen voor planeten NASA/ JPL-Caltech/ R. Hurt (SSC)

Van stof naar planeten (1)

Van stof naar planeten (2) NASA/ JPL-Caltech/ R. Hurt (SSC)

Verschillende condities Randen: warm tot heet lage dichtheid veel straling Binnenin ontstaan grotere moleculen Origineel: A. Gomez (CTIO/ NOAO), Hubble Heritage Team, NASA Binnenin: koud hoge dichtheid weinig straling

Sterrendood H O S e - Het interstellair medium wordt verrijkt met zwaardere elementen

Moleculen in de ruimte (1) Al meer dan 120 verschillende moleculen gevonden in de ruimte Heel gewone moleculen: CO (koolmonoxide) CO 2 (kooldioxide) H 2 O (water) NH 3 (ammonia) CH 3 OH (methanol) CH 3 CH 2 OH (alcohol)

Moleculen in de ruimte (1) Al meer dan 120 verschillende moleculen gevonden in de ruimte Heel gewone moleculen: CO, CO 2, H 2 O, NH 3, CH 3 OH, CH 2 OH, Exotische moleculen: HCO +, N 2 H +, HCCCCCCCN, Soms moeilijk na te maken in het lab!

Moleculen in de ruimte (2) 2 3 4 5 6 7 8 9+ H 2 AlF AlCl C 2 CH CH + CN CO CO + CP CSi HCl KCl NH NO NS NaCl OH PN SO SO + SiN SiO SiS CS HF C 3 C 2 H C 2 O C 2 S CH 2 HCN HCO HCO + HCS + HOC + H 2 O H 2 S HNC HNO MgCN MgNC N 2 H + N 2 O NaCN OCS SO 2 c-sic 2 CO 2 NH 2 H 3 + c-c 3 H l-c 3 H C 3 N C 3 O C 3 S C 2 H 2 CH2D + HCCN HCNH + HNCO HNCS HOCO + H 2 CO H 2 CN H 2 CS H 3 O + NH 3 SiC 3 C 5 C 4 H C 4 Si l-c 3 H 2 c-c 3 H 2 CH 2 CN CH 4 HC 3 N HC 2 NC HCOOH H 2 CHN H 2 C 2 O H 2 NCN HNC 3 SiH 4 H 2 COH + C 5 H l-h 2 C 4 C 2 H 4 CH 3 CN CH 3 NC CH 3 OH CH 3 SH HC 3 NH + HC 2 CHO NH 2 CHO C 5 N C 6 H CH 2 CHCN CH 3 C 2 H HC 5 N HCOCH 3 NH 2 CH 3 c-c 2 H 4 O CH 2 CHOH CH 3 C 3 N HCOOCH 3 CH 3 COOH? C 7 H H 2 C 6 CH 2 OHCHO CH 3 C 4 H CH 3 CH 2 CN (CH 3 ) 2 O CH 3 CH 2 OH HC 7 N C 8 H CH 3 C 5 N (CH 3 ) 2 CO NH 2 CH 2 COOH? HC 9 N HC 11 N

Reacties in gasfase Temperatuur te laag voor reacties met energiebarrière barrière energie reactanten Dichtheid laag: slechts twee deeltjes per keer producten

Stof en ijs Lage temperatuur: gasmoleculen vriezen vast op stof 0,1 micrometer = 0,0001 millimeter

Reacties op stof en ijs (1) AB desorptie AB weerkaatsing AB diffusie adsorptie AB AB AB Figuur door Helen Fraser en Suzanne Bisschop

Reacties op stof en ijs (2) Eley-Rideal Langmuir-Hinshelwood A A 2 B B A 2 B A 2 A 2 diffusion B AB A 2 B AB A Figuur door Helen Fraser en Suzanne Bisschop

Reacties op stof en ijs (3) hν e - hν B 2 D A 2 A A AB B BD e - AB + e - e - Figuur door Helen Fraser en Suzanne Bisschop

IJschemie Moleculen vormen ijs op stofdeeltjes in koude omgevingen Nieuwe moleculen worden gevormd op deze stofdeeltjes Deze moleculen verdampen wanneer ze opgewarmd worden Moleculen kunnen verder reageren in de gasfase

Gaschemie

Belang van deze processen Moleculen kunnen het gas koelen Organische moleculen komen in nieuwe zonnestelsels terecht: begin van biomoleculen? Moleculen geven informatie over de omstandigheden zoals dichtheid, temperatuur en straling

Urey-Miller-experiment (1953) Origineel experiment: water, waterstof, methaan en ammonia met vonken (bliksem) Veel organische moleculen Echter, atmosfeer van de jonge Aarde was vooral koolmonoxide en stikstof, met klein beetje waterstof en zwavelhoudende gassen Veel minder organische moleculen

Vulkanisme Vulkanische activiteit op jonge Aarde zou organisch materiaal geproduceerd kunnen hebben

Leven uit de ruimte? Komeet Hale-Bopp

Organisch materiaal in meteorieten Aminozuren Suikers Glycerol Water Kunnen deze een komeetinslag overleven?

Komeetinslagen op jonge planeten Kometen bestaan voor een groot deel uit organisch materiaal In de jonge dagen (100 miljoen jaar) van de Aarde waren er veel inslagen De jonge Aarde was heel heet maar in latere tijden kunnen enkele kometen hebben overleefd

Onderzoek aan moleculen in Waarnemingen vanaf Aarde en vanuit ruimte stervormingsgebieden Computermodellen Experimenten

Hoe zien we moleculen? Röntgen UV zichtbaar IR radio vibraties rotaties

Van zichtbaar naar IR

Zonnespectrum (Fraunhofer-lijnen) calcium, ijzer waterstof ijzer, magnesium natrium 400 500 600 nm

Spectrum protoplanetaire schijf

Ruimte in het laboratorium Ultrahoog vacuum: 3.000.000 deeltjes/cm 3 (ruimte: ± 10.000) Temperatuur variabel: -263 C tot kamer Analysetechnieken: infraroodspectroscopie (info over het ijs) massaspectrometrie (info over het gas)

Vorming van methanol CO-ijs bestraald met H-atomen CO HCO H 2 CO CH 3 O CH 3 OH koolmonoxide formaldehyde methanol Guido Fuchs et al.

Complexe ijsprocessesen CO H HCO H H 2 CO H CH 3 O H CH 3 OH Karin Öberg et al.

Complexe ijsprocessesen CO H UV HCO H UV H 2 CO UV H CH 3 O UV H CH 3 OH Karin Öberg et al.

Complexe ijsprocessesen CO H UV HCO H UV H 2 CO UV H CH 3 O UV H CH 3 OH UV H UV CH 2 OH Karin Öberg et al.

Complexe ijsprocessesen CO H UV HCO H H 2 CO UV UV H CH 3 O UV H CH 3 OH UV H CH 3 H UV CH 4 UV H UV CH 2 OH Karin Öberg et al.

Complexe ijsprocessesen CO CH 3 OCH 3 H UV CH 3 CH 3 O HCO CH 3 O CH 3 CHO CH 3 CHO H H 2 CO UV UV H CHO CH 3 O UV H CH 3 OH UV H CHO CH 3 H UV CH 4 CH 2 OH UV CH 2 OHCHO CHO H UV CH 2 OH CH 3 CH 2 OH CH 3 CH 2 OH CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 OH (CH 2 OH) 2 Karin Öberg et al.