Er is een rijke en diverse reeks complexe moleculen nodig om dingen zoals sterren, sterrenstelsels, planeten en levensvormen zoals wij te laten bestaan. Maar voordat mensen en alle complexe moleculen waaruit we zijn gemaakt konden bestaan, moest er dat eerste oermolecuul zijn dat een lange reeks chemische gebeurtenissen op gang bracht die leidden tot alles wat je vandaag om je heen ziet.
Hoewel er al lang wordt getheoretiseerd, was het gebrek aan observationeel bewijs voor dat molecuul problematisch voor wetenschappers. Nu hebben ze het gevonden en die wetenschappers kunnen gerust zijn. Hun voorspellende theorie wint!
In de allereerste dagen van het heelal waren er slechts twee of drie soorten atomen. Waterstof, helium en kleine hoeveelheden lithium zijn gemaakt door Big Bang Nucleosynthesis. Alle andere elementen zijn later gesmeed, in sterren. Sterren zijn meestal waterstof, maar sterren kunnen niet worden gevormd door de eenvoudige waterstofatomen die in de oerknal zijn gemaakt. Ze ontstaan uit wat moleculaire waterstof wordt genoemd. En moleculaire waterstof zou niet kunnen ontstaan zonder het zogenaamde 'eerste molecuul', een combinatie van helium en waterstof die heliumhydride wordt genoemd. Theorie zegt dat heliumhydride ongeveer 100.000 jaar na de oerknal is ontstaan.
"Het was zo opwindend om daar te zijn, voor het eerst in de gegevens heliumhydride te zien."
Rolf Guesten, Max Planck Instituut voor Radioastronomie, hoofdauteur.
Je kunt je een momentopname van het vroege heelal voorstellen, ongeveer 100.000 jaar na de oerknal. Het was erg heet en werd alleen bevolkt door waterstof, helium en dat kleine beetje lithium. Voordat de atoompopulatie van het heelal zich kon diversifiëren, moesten er sterren ontstaan. Toen het eenmaal begon af te koelen, begonnen de omstandigheden rijp te worden voor de vorming van sterren.
Maar er moest ook iets anders gebeuren. De afkoeling van het heelal was niet genoeg om sterren te vormen. Moleculaire waterstof moest worden gemaakt, omdat sterren grotendeels zijn gemaakt van moleculaire waterstof in plaats van de eenvoudige atomaire waterstof die door de oerknal is gemaakt. (Wetenschappers noemen het geen simpele waterstof, ze noemen het gewoon een waterstofatoom.)
Het grootste deel van de waterstof in het heelal is moleculaire waterstof.
Maar een enkel waterstofatoom is zeldzaam in het universum van vandaag, omdat het een vrije radicaal is en echt reactief is. Moleculaire waterstof is een molecuul waarin twee waterstofatomen aan elkaar zijn gebonden. Het bestaat uit twee protonen en twee elektronen en is erg stabiel. Er zijn enorme wolken moleculaire waterstof in de ruimte en sterren van die wolken.
Het probleem in het vroege heelal was dat, hoewel de zaken afkoelden, moleculaire waterstof niet vanzelf kon ontstaan. Volgens de theorie moest eenvoudige waterstof een interactie aangaan met een specifiek molecuul voordat het zich kon vormen, en dat molecuul was heliumhydride. Deze interactie was de eerste stap in de chemie van het heelal.
"Het gebrek aan bewijs van het bestaan van heliumhydride in de interstellaire ruimte was tientallen jaren een dilemma voor de astronomie."
Rolf Guesten, Max Planck Instituut voor Radioastronomie, hoofdauteur
Hoewel de theorie zei dat heliumhydride moest bestaan, en hoewel het in 1925 in een laboratorium was gemaakt, was het nog nooit in de ruimte gezien. Het is een erg zuur molecuul, omdat een van de samenstellende atomen helium is, een edelgas. En edelgassen zijn erg terughoudend om met andere atomen te reageren.
Maar nu hebben ze het gevonden.
In een paper dat op 17 april in het tijdschrift Nature werd gepubliceerd, schetsten onderzoekers hoe ze het ongrijpbare heliumhydride in de
planetaire nevel genaamd NGC 7027. Ze gebruikten NASA's SOFIA, of
Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, om er naar te zoeken. SOFIA is een omgebouwde Boeing 747SP die op grote hoogte vliegt, boven atmosferische interferentie, om waarnemingen te doen.
Al sinds de jaren zeventig dachten wetenschappers dat NGC 7027 de noodzakelijke voorwaarden had om heliumhydride te laten bestaan. Met behulp van SOFIA en het Duitse GEWELDIGE instrument (Duitse ontvanger op Terahertz-frequenties) hebben ze NGC 7027 onderzocht, op zoek naar het ongrijpbare molecuul.
De hoofdauteur van het artikel is Rolf Guesten van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Bonn, Duitsland. "Het gebrek aan bewijs van het bestaan van heliumhydride in de interstellaire ruimte was decennia lang een dilemma voor de astronomie", aldus Guesten.
De planetaire nevel waar onderzoekers hem zagen, heeft de juiste omstandigheden voor de vorming van heliumhydride. De verouderende ster gaf de juiste warmte en ultraviolette straling af om het molecuul te vormen. Maar naar binnen kijken in die nevel bleek erg moeilijk. Voer SOFIA en GEWELDIG in.
SOFIA is een soort hybride tussen een telescoop op de grond en een ruimtetelescoop. Vanaf zijn uitkijkpunt op 45.000 voet is het vrij van de meeste atmosferische interferentie van de aarde, net als een ruimtetelescoop. Maar het is flexibeler. Het landt tussen missies en de instrumentatie kan meer worden gewijzigd of aangepast, meer als een telescoop op de grond.
In dit geval is het Duitse GREAT-instrument in 2011 in SOFIA geïntegreerd. En het is cruciaal gebleken in dit onderzoek.
"We kunnen van instrument wisselen en de nieuwste technologie installeren", zegt Naseem Rangwala, plaatsvervangend projectwetenschapper bij SOFIA. "Deze flexibiliteit stelt ons in staat de waarnemingen te verbeteren en te reageren op de meest prangende vragen die wetenschappers willen beantwoorden."
In 2016 begonnen wetenschappers SOFIA en GREAT te gebruiken om NGC 7027 te onderzoeken op het ongrijpbare heliumhydride. Elk molecuul interageert met licht op zijn eigen frequentie en GREAT is afgestemd op de frequentie van heliumhydride, vergelijkbaar met het afstemmen van een radio op een bepaald station. En ze hadden eindelijk geluk.
“Het was zo spannend om daar te zijn, voor het eerst in de gegevens heliumhydride te zien. Dit brengt een lange zoektocht naar een gelukkig einde en elimineert twijfels over ons begrip van de onderliggende chemie van het vroege universum.
Rolf Guesten, Max Planck Instituut voor Radioastronomie, hoofdauteur
"Het was zo opwindend om daar te zijn, voor het eerst in de gegevens heliumhydride te zien", zei Guesten. "Dit brengt een lange zoektocht naar een gelukkig einde en elimineert twijfels over ons begrip van de onderliggende chemie van het vroege universum."
Dit is dus het happy end van een van de langst gestelde vragen van de astronomie. De succesvolle afsluiting van de zoektocht naar heliumhydride is een mooie overwinning voor onze theorieën over de evolutie van het heelal.
Als je bevriend bent met een wetenschapper, koop haar dan een biertje en toon wat waardering voor hun harde werk!
Bronnen
- Onderzoekspaper: Astrofysische detectie van het heliumhydride-ion HeH
- Persbericht: eindelijk is het eerste type molecuul van het universum gevonden
- NASA: SOFIA Website
- Wikipedia: Heliumhydride-ion
