Onze planeet herbergt zelfs meer van dit stof dan planetoïden of andere planeten in ons zonnestelsel zoals Mars.

Ongeveer 4,5 miljard jaar geleden stortte een moleculaire wolk in. In het midden werd de zon gevormd en daaromheen verscheen een afgeplatte schijf van gas en stof – de protoplanetaire schijf – waar de aarde en de andere planeten zich uit vormden. Maar deze schijf bevatte niet alleen stofkorrels uit het eigen systeem. Onderzoekers zijn er namelijk in een studie gepubliceerd in het vakblad Nature achtergekomen dat deze ook exotische stofdeeltjes bevatte; sterrenstof dat zich rond andere sterren had gevormd. En opvallend genoeg blijkt onze aarde verrassend veel stof van rode reuzensterren te herbergen.

Vingerafdruk
Om dit te begrijpen, moeten we terug naar het begin. Dankzij extreem nauwkeurige technieken zijn onderzoekers tegenwoordig in staat om het sterrenstof dat aanwezig was bij de geboorte van ons zonnestelsel te meten. Ze onderzoeken specifieke chemische elementen en meten de overvloed aan verschillende isotopen. “De variabele verhoudingen van deze isotopen werken als een vingerafdruk,” legt onderzoeker Maria Schönbächler uit. “Sterrenstof heeft een heel unieke vingerafdruk. En omdat het ongelijkmatig door de protoplanetaire schijf werd verspreid, kreeg elke planeet en planetoïde zijn eigen vingerafdruk toen deze het levenslicht zag.”


Isotopische afwijkingen
In de afgelopen decennia hebben wetenschappers deze vingerafdrukken in opgeraapt gesteente op aarde én in neergestorte meteorieten bestudeerd en met elkaar vergeleken. Ze keken hierbij naar de zogenaamde isotopische afwijkingen van bepaalde elementen zoals molybdeen en ruthenium. Het onderzoeksteam besloot zich eveneens op deze afwijkingen te richten, maar dan voor een ander element, namelijk palladium. “We kozen hiervoor omdat de massa heel dichtbij molybdeen en ruthenium in de buurt ligt,” legt Schönbächler desgevraagd uit. En dat stelde de onderzoekers in staat om de isotopische afwijking te voorspellen. Maar opvallend genoeg strookten de daadwerkelijke metingen niet met deze voorspellingen. “De meteorieten bevatten veel kleinere afwijkingen dan we hadden verwacht,” zegt onderzoeker Matthias Ek in een interview met Scientias.nl.

Meteoriet geanalyseerd in de huidige studie. Afbeelding: Windell Oskay/Flickr/CC BY 2.0

Rode reus
Wat dit betekent? Het onderzoeksteam ontwierp een nieuw model om de bevindingen uit te kunnen leggen. En dit model toont aan dat hoewel alles in het zonnestelsel is gemaakt van sterrenstof, één type ster het meest heeft bijgedragen aan de vorming van de aarde: de rode reus. Dit is een ster die aan het einde van haar levensfase is gekomen (zie kader). Ook onze zon zal over vijf miljard jaar in een rode reus veranderen. Als onderdeel van hun sterfproces produceren deze sterren molybdeen, ruthenium en palladium. “Palladium is iets vluchtiger dan de andere gemeten elementen,” zegt Ek. “Als gevolg hiervan condenseerde minder ervan in stof.” En dat verklaart waarom de isotopische afwijkingen van dit element in de onderzochte meteorieten veel kleiner waren dan gedacht.

Meer over de rode reus
In sterren vindt kernfusie plaats. Daarbij wordt waterstof omgezet in helium. Maar op een gegeven moment raakt het waterstof in zo’n ster op. Door gebrek aan energie krimpt de ster ineen, waarbij de temperatuur wel kan oplopen tot meer dan 100 miljoen graden. De extreme hitte brengt een nieuw proces op gang, waarbij helium tot zwaardere atomen zoals koolstof en zuurstof wordt gefuseerd. De intens hete kern verdrijft daarna de buitenste lagen van de ster, waardoor deze tot wel honderden keren hun oorspronkelijke grootte kunnen opzwellen: de ster is een rode reus geworden.

Je zult je nu misschien afvragen hoe dit stof afkomstig van een rode reus de aarde heeft verrijkt. “Eerst werden er nieuwe atomen gevormd in de rode reus,” legt Ek desgevraagd uit. “Vervolgens condenseerde dit tot stofkorrels. Dit stof reisde door het interstellaire medium en werd opgenomen in de gigantische moleculaire wolken van stof en gas die zich daar bevinden. Af en toe storten deze moleculaire wolken in en vormen een centrale ster met een omringende schijf van gas en stof waar planeten uit worden gevormd, zoals ons zonnestelsel. Rode reuzensterren produceren veel stof en zijn daarom de dominante bron van sterrenstof in het interstellaire medium.”


Artistieke impressie van de vorming en evolutie van stof zoals voorgesteld in het nieuwe model. Afbeelding: Mattias Ek/Maria Schönbächler

Gemengd
Wat hier vooral verrassend aan is, is dat het materiaal waaruit onze planeten zijn gevormd niet goed met elkaar is gemengd. “Dankzij preciezere metingen kunnen we concluderen dat de aarde meer sterrenstof van een rode reuzenster herbergt dan bijvoorbeeld Mars,” zegt Schönbächler. Hoe dat kan? “Toen de planeten werden gevormd, waren de temperaturen rond de zon hoog,” zegt de onderzoeker. “Dit zorgde ervoor dat onstabiele stofkorrels verdampten. Sterrenstof van rode reuzen zijn hier echter minder gevoelig voor, waardoor het zich rond de zon concentreerde.” En dat betekent dat de hemellichamen die dichter bij de zon staan – zoals de aarde – meer sterrenstof van de rode reus bevatten. Mercurius en Venus zouden in dat geval dus ook hogere concentraties moeten herbergen. “Helaas hebben we geen meteorieten van deze planeten om dat te verifiëren,” zegt Ek. “De meeste meteorieten in onze archieven zijn waarschijnlijk afkomstig van hemellichamen die verder van de zon verwijderd zijn dan de aarde.”

Ons zonnestelsel. De planeten die dichterbij de zon liggen herbergen waarschijnlijk meer sterrenstof van rode reuzen dan verder van de zon verwijderde planeten. Afbeelding: WP via Wikimedia Commons

Hoeveel rode reuzenstof onze aarde herbergt? Dat is lastig te achterhalen. “We kunnen alleen het verschil tussen planetaire lichamen detecteren,” zegt Schönbächler. Maar het gaat waarschijnlijk om slechts hele kleine hoeveelheden. “Onze aarde bevat waarschijnlijk minder dan 3 procent sterrenstof van rode reuzensterren. Er is echter ook veel gerecycled sterrenstof in de aarde verwerkt dat afkomstig is van vorige generaties rode reuzensterren.” De onderzoeker vergelijkt dit met rotsen op aarde. De meeste zijn namelijk ook veel jonger dan de aarde zelf. Dat komt omdat het materiaal in de loop van de tijd gerecycled wordt. “Het betekent dat alleen het meest resistente stof overleeft in zijn oorspronkelijke vorm als een herinnering aan vroegere tijden.”