Sleutelmolecuul in de ruimte beter op te sporen

Nieuwe resultaten uit spectroscopie en quantumchemie versterken astrochemisch onderzoek

13 november 2015

Astronomen die op zoek zijn naar voor de vorming van sterren en planeten belangrijke interstellaire PAK-moleculen, interpreteren hun meetgegevens op een verkeerde manier. Dat stellen onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam (UvA), de Sterrewacht Leiden, de Radboud Universiteit en het NASA Ames Research Center. In het vooraanstaande tijdschrift 'The Astrophysical Journal' laten ze met experimenten en berekeningen zien dat de infrarode 'vingerafdruk' van PAK’s (polycyclische aromatische koolwaterstoffen) veel complexer is dan tot nu toe werd aangenomen.

PAK’s vormen een groep van honderden grote organische moleculen. Deze moleculen bevinden zich op aarde, maar ook op veel plaatsen in het heelal. De studie van PAK-moleculen helpt astronomen te begrijpen hoe materie in de interstellaire ruimte wordt gevormd en hoe die materie uiteindelijk evolueert tot sterren en planeten.

Tot nu toe is het astronomen nog niet gelukt afzonderlijke interstellaire PAK-moleculen te identificeren. Dankzij experimenten van UvA-promovendus Elena Maltseva kan daar nu verandering in komen.

Carrouselbeeld Orion Nebula

PAK-moleculen zitten in het hele universum.  Foto: NASA / ESA / M. Robberto

Vingerafdruk

PAK-moleculen zijn in principe op te sporen aan de hand van de karakteristieke infraroodstraling die ze uitzenden. Maar het is een hele krachttoer om het PAK-signaal te onderscheiden van allerlei andere ruimtelijke infraroodbronnen. Astronomen vergelijken hun meetgegevens daarom met bekende infraroodspectra (de 'vingerafdrukken') van PAK’s. Die gegevens komen uit de computer - berekend met theoretische modellen - en uit het laboratorium, gemeten in experimenten zoals dat van Maltseva.

Maltseva bestudeerde naftaleen, een relatief kleine PAK, met geavanceerde spectroscopische lasertechnieken onder dezelfde omstandigheden als in de interstellaire ruimte. De resultaten waren opmerkelijk.

‘Volgens de theoretische modellen zou ik in het infraroodspectrum twee, hooguit drie banden kunnen verwachten,’ aldus Maltseva. ‘Het was dus nogal schokkend om een spectrum te zien verschijnen waarin zonder probleem 23 redelijk sterke banden te zien waren.’ Vervolgexperimenten aan een hele reeks andere PAK’s gaven hetzelfde beeld: de 'vingerafdruk' was steeds veel complexer dan verwacht. Maltseva: ‘Het betekent dat de tot nu toe gebruikte modellen heel erg afwijken van de interstellaire realiteit.’

Quantumchemische berekeningen

Om experiment en theorie weer op een lijn te krijgen, ontwikkelden onderzoekers van de Sterrewacht Leiden samen met collega’s van NASA's Ames Research Center een nieuwe quantumchemische methode om de PAK-spectra te berekenen.

Cameron Mackie, promovendus bij de Leidse Sterrewacht: ‘We beseften dat de afwijking van het ideale trillingsgedrag van atomen veel groter is dan altijd werd aangenomen. Dat leidt tot menging van vibrationele toestanden en heeft een enorm effect op het spectrum. Banden die altijd verboden waren, 'stelen' dan zichtbaarheid van de banden die wel zijn toegestaan. Door die koppelingen quantumchemisch goed te beschrijven lukte het ons de experimenteel gemeten spectra goed te voorspellen.’

James Webb Space Telescope

Dankzij de verbeterde quantumchemische berekening beschikken astrochemici straks voor een hele reeks PAK’s over veel betere vingerafdrukken. Daardoor is een veel gedetailleerdere analyse mogelijk van de astronomische data. De verwachting is dat dit tot de detectie van individuele moleculen zal leiden. De kans daarop is nog groter omdat in 2018 de James Webb Space Telescope wordt gelanceerd. Die is in staat metingen uit te voeren met een spectrale en ruimtelijke resolutie die voorheen niet mogelijk waren.

Het onderzoek werd gefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek NWO in het kader van het Dutch Astrochemistry Network (DAN), waarin astronomen, chemici en fysici samenwerken.

Publicatiegegevens

Elena Maltseva, Annemieke Petrignani, Alessandra Candian, Cameron J. Mackie, Xinchuan Huang, Timothy J. Lee, Alexander G. G. M. Tielens, Jos Oomens & Wybren Jan Buma: ‘High-resolution IR absorption spectroscopy of polycyclic aromatic hydrocarbons: the realm of anharmonicity.’  The Astrophysical Journal 814, 23 (2015). DOI: 10.1088/0004-637X/814/1/23.

Gepubliceerd door  UvA Persvoorlichting