Er gebeuren spannende dingen in de ruimte tussen de sterren.

Wie denkt aan de ruimte tussen de sterren stelt zich wellicht een grote, zwarte, saaie leegte voor. Maar niets is minder waar. De interstellaire ruimte is namelijk helemaal niet leeg. “De interstellaire ruimte is gevuld met gewone materie,” vertelt Vincent Icke, hoogleraar theoretische sterrenkunde bij de Sterrewacht Leiden (zie kader hieronder). “Dat is de materie waaruit ook de aarde, de zon en wij zijn opgebouwd. Alleen is de interstellaire ruimte heel ijl. Dat betekent dat de dichtheid heel laag is. In 1 kubieke centimeter interstellaire ruimte zitten misschien maar 1 tot 10 atomen. En dat is echt heel weinig. Ter vergelijking: in een kop thee zitten 10^24 – dat is een 1 met 24 nullen – atomen.”

Over Icke
Icke is naast professor ook een succesvol schrijver. Vorig jaar verscheen van zijn hand ‘Reisbureau Einstein‘, waarin hij vertelt hoe planeten en sterren ontstaan en wat er dicht bij de Melkweg en verder weg allemaal te vinden is en hoe we daar dan precies kunnen komen. Ook verkent hij in het boek hét grote vraagstuk: zijn we alleen? Meer weten? Lees dan ook eens het gesprek dat we vorig jaar met Icke hadden over de vraag of we buitenaards leven moeten vrezen.

Kosmisch café
Saai is de interstellaire ruimte ook allerminst. Vrij recent hebben onderzoekers namelijk ontdekt dat er chemische reacties plaatsvinden, waaruit verrassend complexe moleculen geboren kunnen worden. Dat lijkt misschien – zeker als je het ijle karakter van de interstellaire ruimte in gedachten houdt – ondenkbaar. En zo dachten scheikundigen er ook lang over. “Tot zo’n dertig of veertig jaar geleden dachten scheikundigen dat de chemische reacties in de interstellaire ruimte niet van betekenis waren.” Dat beeld veranderde toen Ewine van Dishoeck – een vooraanstaande Nederlandse astronoom en tegenwoordig directeur van het ALMA-observatorium – zich voor haar proefschrift over de kwestie boog. “Ze concludeerde dat er waarschijnlijk veel scheikundige reacties in de interstellaire ruimte plaatsvonden en wel op een bijzondere manier. Je moet bedenkt dat zo’n 99% van de materie in de interstellaire ruimte gasvormig is. De overgebleven 1% bestaat uit piepkleine stofkorrels die heel koud zijn. Atomen kunnen op het oppervlak van die stofkorrels terechtkomen.” Door de kou blijven ze als het ware aan de stofkorrels ‘plakken’. Maar tegelijkertijd zijn ze nog wel in staat om over het oppervlak van de stofkorrels te bewegen. “En daarbij komen ze andere atomen tegen en daarmee kunnen ze vervolgens een verbinding aangaan. In zekere zin is zo’n stofkorrel dus een kosmisch café of ontmoetingscentrum.” Uit zo’n ontmoeting tussen atomen kunnen moleculen geboren worden. “Per seconde vinden er tientallen tot honderden ontmoetingen tussen atomen op zo’n stofkorrel plaats,” legt Icke uit. “Maar niet elke reactie is even waarschijnlijk: bepaalde soorten reacties vinden dus vaker plaats dan andere.”

Een artistieke impressie van glycolaldehyde. De koolstofatomen zijn grijs, zuurstofatomen zijn rood en waterstofatomen zijn rood. Afbeelding: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / L. Calçada (ESO).

Glycolaldehyde
Maar wat voor moleculen worden er dan geboren? “Bijvoorbeeld glycolaldehyde.” Het is een eenvoudige vorm van suiker, maar tevens één voorloper van RNA, dat weer gezien kan worden als één van de bouwstenen van leven. “Het is een heel interessant molecuul dat in de interstellaire ruimte gevormd wordt en reeds door het Atacama Large Millimeter Array is gedetecteerd,” vertelt Icke. Dat we in staat zijn om dit molecuul in de interstellaire ruimte op te sporen, suggereert dat het in enorme hoeveelheden tussen de sterren aanwezig is. Andere moleculen die op stofkorrels in de interstellaire ruimte ontstaan, zijn opgebouwd uit koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof. “Die vormen eigenlijk al de helft van het type molecuul dat in DNA zit en bevinden zich dus ook gewoon tussen de sterren!”

Geboorte van een ster en moleculen
De door Icke beschreven chemische reacties vinden her en der in de interstellaire ruimte plaats. Maar dat wil niet zeggen dat het ontstaan ervan in elk deel van de interstellaire ruimte even waarschijnlijk is. Er zijn namelijk plekken waar de kans op chemische reacties en daaruit voortkomende complexe moleculen een stuk groter is. Zoals gezegd is de interstellaire ruimte heel ijl. Maar er zijn plekken waar de interstellaire materie door de zwaartekracht wordt samengeperst. “Dan ontstaat een interstellaire wolk van materie die over een periode van 10 tot 15 miljoen jaar ineen kan storten, waarna een ster ontstaat. En terwijl die wolk samentrekt, wordt de dichtheid groter en kan er in zo’n gebied dus ook scheikundig gezien veel meer gebeuren.” Chemische reacties raken in een stroomversnelling en er ontstaan tal van (complexe) moleculen. Tegelijkertijd wordt uit die wolk echter ook een ster geboren die met zijn intense zwaartekracht het omringende gas en stof in een schijf dwingt, waaruit weer een planetenstelsel kan voortkomen. “Dat speelt allemaal tegelijkertijd,” benadrukt Icke. “Een deel van de ontstane moleculen wordt dan ook ingevangen door de planeten.” En nu wordt het natuurlijk interessant. Want hoe complex kunnen de moleculen worden alvorens ze door de planeten worden opgenomen? En wat blijft er van die (complexe) moleculen over als ze worden opgeslokt door de hemellichamen waarop ze uit zouden kunnen groeien tot ingewikkelde verbindingen en uiteindelijk zelfs leven? “Dat weten we niet goed,” erkent Icke. “We denken dat een deel van de moleculen verdwijnt in de oceanen en atmosfeer van de jonge planeten.”

Glycolaldehyde is niet alleen in de interstellaire ruimte aangetroffen. In 2012 ontdekten onderzoekers het molecuul met behulp van ALMA ook in het gas rond een jonge, zonachtige ster. Afbeelding: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / L. Calçada (ESO) & NASA / JPL-Caltech / WISE Team.

Wat er vervolgens met die moleculen gebeurt, is onder meer afhankelijk van de afstand tussen de planeet en de moederster. “Als de planeet bijvoorbeeld heel dicht bij de moederster staat – zoals Mercurius bij onze zon – dan wordt de korst gebakken en verdampt de hele rataplan.” Daarnaast weten we ‘uit eigen ervaring’ dat de geboorte en evolutie van een zonnestelsel een behoorlijk turbulente gebeurtenis kan zijn, met meteorietenregens, botsingen tussen hemellichamen en allerlei ander geweld dat niet echt bevorderlijk is voor het in standhouden van fragiele chemische verbindingen. In andere woorden: het is nog maar de vraag of de moleculen die in de interstellaire ruimte en/of tijdens de geboorte van een ster het levenslicht zien, lang genoeg stand kunnen houden om op hemellichamen nog ingewikkelder te worden en uiteindelijk de opmaat naar leven te vormen.

Een ‘black smoker’ in de Atlantische Oceaan. Sommige onderzoekers denken dat het leven op aarde rond soortgelijke black smokers is ontstaan. Foto: P. Rona / NOAA (via Wikimedia Commons).

Black smokers
Wellicht leveren de spannende chemische reacties in de interstellaire ruimte dus geen directe bijdrage aan het ontstaan van leven op andere hemellichamen. Maakt dat de chemische reacties een stuk minder interessant? Zeker niet! Wat onderzoekers in feite met de ontdekking van chemische reacties in de interstellaire ruimte hebben aangetoond, is dat zulke chemische reacties overal spelen. Zélfs in de ijle interstellaire ruimte. En zeer waarschijnlijk dus ook op aardachtige planeten, zeker als zij een oceaan hebben. Die planeten hoeven de moleculen die in de interstellaire ruimte zijn ontstaan niet heelhuids te omarmen om leven te genereren: ze kunnen die moleculen zeer waarschijnlijk zelf maken. “Wat van belang is, is dat het binnenste van aardachtige planeten radioactief is, waardoor een deel van het rotsachtige materiaal waaruit de planeet is opgebouwd, smelt en middels vulkanen aan het oppervlak kan komen. Wanneer die vulkanische activiteit onder een oceaan speelt, kunnen er black smokers ontstaan.” Water dringt scheuren en spleten in de oceaanbodem binnen en wordt door de vulkanische activiteit flink verhit. In de buurt van zo’n warme plek in de korst van de planeet spuit warm water – rijk aan mineralen in de vorm van stof- en puindeeltjes – uit de rotsen. Dat water is gloeiendheet: tot wel 500 graden Celsius. En gedreven door de energie van dat warme water kunnen er op die stofdeeltjes – net als op stofkorreltjes in de interstellaire ruimte – chemische reacties plaatsvinden. De moleculen die daaruit voortkomen, mogen zich dankzij de diepe oceanen waarin zij zich bevinden beschermd weten tegen allerlei onheil zoals hoogenergetische straling van de moederster of meteorietinslagen en kunnen in theorie dus rustig uitgroeien tot steeds complexere exemplaren. Hoever dat in theorie kan gaan? “Kijk maar om je heen,” stelt Icke. “Wij zijn immers een product van dergelijke chemische reacties.” Of het elders ook zo ver gaat, weten we niet. “Maar we weten wel dat de materie waaruit we zijn ontstaan en de chemische reacties die daarbij kwamen kijken, heel gewoon zijn. En als het hier zo ver kan gaan, is het zeker niet onaannemelijk dat het elders ook zo ver gaat.”

De chemische reacties in de ruimte geven het vertrouwen dat er ook buiten de aarde leven kan ontstaan. Hard bewijs daarvoor is echter nog ver te zoeken. Maar daar kan snel verandering in komen, denkt Icke. “Ik denk dat we binnen vijf tot tien jaar veel te weten komen. Maar dat kan ook negatief zijn, natuurlijk. Dat we straks met de ELT (de nog in aanbouw zijnde Extremely Large Telescope, red.) 1000 planeten bekijken en niks interessants zien. Dan zullen we ons onder de pet krabben en moeten concluderen dat het toch heel bijzonder is wat er op aarde is gebeurd. Maar het kan ook zijn dat wetenschappers morgen struikelen over een planeet waarop ingewikkelde scheikundige reacties spelen die leiden tot het ontstaan van biologische processen.” Het zijn spannende tijden en het wordt alleen maar spannender. “Er worden straks nog betere instrumenten gebouwd voor ALMA (het Atacama Large Millimeter Array dat eerder bijvoorbeeld glycolaldehyde ontdekte nabij een jonge ster, red.) en sommige van die instrumenten zijn speciaal ontwikkeld om chemische reacties buiten de aarde te bekijken. Ik verwacht dan ook dat we nog ingewikkelder moleculen gaan vinden tussen de sterren.” En dan is er ook de eerdergenoemde ELT nog, die in 2024 de ogen opent. “De hoofdspiegel van deze telescoop heeft een doorsnede van 39 meter en heeft tal van prachtige instrumenten.” Knappe chemische reactie die zich dan nog voor ons weet te verbergen. “Dat wordt echt feest.”

Wil je meer weten over de chemie tussen de sterren en hoe leven ontstaat? Professor Vincent Icke vertelt er tijdens de wetenschapsweek Frontiers of Life Sciences (29 januari-2 februari) alles over. Tijdens deze week staat het onderzoek naar het leven zelf centraal en zullen vooraanstaande wetenschappers hun onderzoek presenteren en je meenemen naar de frontlinies van hun eigen werk en dat van collega’s. De week is bedoeld voor iedereen met 3-vwo-niveau of verder en een warme belangstelling voor het onderwerp.