Waar sterren geboren worden, is water. En dat water houdt moedig stand tot ook leefbare werelden het levenslicht zien.

Tot die conclusie komen onderzoekers op basis van waarnemingen van ruimtetelescoop Herschel in het blad Astronomy & Astrophysics. De ver-infrarode ruimtetelescoop werd in 2009 gelanceerd en deed vier jaar lang onderzoek. Eén van de speerpunten van de missie was het in kaart brengen van water in de ruimte. Onderzoekers waren daarbij met name benieuwd naar de wijze waarop water in de ruimte tussen sterren – ook wel interstellaire ruimte genoemd – ontstaat en zich vervolgens een weg weet te banen naar planeten zoals de aarde.

Naslagwerk
En Herschel heeft ons niet teleurgesteld; in de afgelopen jaren zijn tientallen studies verschenen die stukje bij beetje meer inzicht gaven in de opwindende reis die het water vanuit de interstellaire ruimte maakt. Wetenschappers hebben die resultaten nu op een rij gezet, gecombineerd en uitgebreid met nieuwe inzichten. Het leidt tot een prachtig overzichtsartikel dat naar verwachting in de komende decennia – wanneer onderzoekers met nieuwe telescopen op jacht gaan naar antwoorden op de laatste prangende vragen omtrent de herkomst van water op (potentieel) leefbare werelden – dienst zal doen als een onmisbaar naslagwerk.


Het overzichtsartikel beschrijft hoe het merendeel van het water in de interstellaire ruimte wordt gevormd op piepkleine stofdeeltjes, te vinden in koude en ijle interstellaire gas- en stofwolken. “Waterstofatomen en zuurstofatomen botsen tegen die stofdeeltjes aan en blijven een tijdje plakken,” zo vertelt onderzoeker Michiel Hogerheijde aan Scientias.nl. “Als ze elkaar tegenkomen vormen ze eerst OH en daarna snel H20, wat dan vastgevroren blijft zitten op het stof.” Op een gegeven moment stort de interstellaire wolk ineen en vormt een ster, met daaromheen een protoplanetaire schijf: een gas- en stofschijf waaruit in een later stadium planeten geboren kunnen worden. Herschel toont aan dat het water dat voorafgaand aan de ineenstorting van de wolk op piepkleine stofdeeltjes is ontstaan ook tijdens de vorming van sterren en protoplanetaire schijven vrijwel onaangetast standhoudt. “De ineenstorting van zo’n wolk duurt toch nog wel 10.000 jaar, en het meeste materiaal landt relatief zacht op de schijf waaruit nieuwe planeten zich vormen. Het waterijs kan die landing goed overleven.” Daarna wordt het leeuwendeel van het water in de protoplanetaire schijf snel verankerd in stofdeeltjes zo groot als kiezelstenen. Deze kiezelsteentje klonteren vervolgens samen en vormen zo de bouwstenen voor nieuwe planeten.

Overal en altijd aanwezig
Het beeld dat Herschel zo schetst van de reis die water – vanuit de interplanetaire ruimte tot in compleet nieuwe zonnestelsels – maakt, is volgens Hogerheijde in lijn met wat onderzoekers voorafgaand aan de missie verwachtten. “Wat nog niet goed bekend was, is de mate waarin waterijs in alle stadia in de interstellaire ruimte voorhanden is, en in hoeverre dat waterijs ongestoord zijn weg vindt tot in de schijven waar planeten zich vormen. Herschel heeft laten zien dat waterijs gedurende dat hele pad aanwezig blijft.”

Duizenden oceanen
Daarnaast hebben de onderzoekers op basis van de Herschel-data ook vrij nauwkeurig uit kunnen rekenen hoeveel water er in nieuwe zonnestelsels voorhanden is. Zo blijken vrijwel alle nieuwe zonnestelsels geboren te worden met voldoende water om een paar duizend oceanen mee te vullen. “Het is fascinerend om je te realiseren dat als je een glas water drinkt, het merendeel van die moleculen al meer dan 4,5 miljard jaar geleden zijn gemaakt in de wolk waaruit onze zon en de planeten ontstonden,” stelt onderzoeker Ewine van Dishoeck.


Vragen
Tegelijkertijd moeten de onderzoekers ook erkennen dat Herschel niet alle vragen kan beantwoorden. “De Herschel-waarnemingen laten zien dat aan water(ijs) geen gebrek is,” vertelt Hogerheijde. “De vraag is dus eerder, hoeveel planeten er bestaan waar dat water in vloeibare vorm op het oppervlak aanwezig kan zijn. Recente ontdekkingen van exoplaneten laten zien dat dergelijke planeten wel degelijk bestaan, maar hoe vaak ze voorkomen is nog niet helemaal duidelijk.”

James Webb
Dat komt ook omdat onderzoekers nog niet precies weten hoe dat waterijs – dat in planeetvormende schijven dus rijkelijk voorhanden is – uiteindelijk op planeten terecht komt. Vervolgwaarnemingen moeten daar meer duidelijkheid over geven. Onderzoekers kijken wat dat betreft onder meer hoopvol uit naar de lancering van de James Webb Space Telescope (JWST). De krachtige ruimtetelescoop is uitgerust met een in Nederland gebouwd instrument dat data kan verzamelen over warme waterdamp, te vinden in de binnenste zones van stofschijven – een gebied dat voor Herschel verborgen bleef. “Met JWST kunnen we het hetere gas in de binnendelen van de planeetvormende schijven bekijken, en ook de samenstelling van ijslaagjes op stofkorrels bepalen. In het golflengtebereik van JWST in het infrarood zijn aanwijzingen voor een aantal heel belangrijke moleculen te vinden (…) die ontstaan in of boven op de laagjes waterijs, en hun aanwezigheid vertelt ons dus iets over het waterijs dat wordt aangevoerd en deels verdampt in deze gebieden, en wat de samenstelling van deze mix is.”

Watertelescoop
Daarnaast hopen onderzoekers dat er in de toekomst een nieuwe Herschel-achtige ruimtetelescoop gelanceerd wordt. “Er was een kans dat er rond 2030 een ‘watertelescoop’ de ruimte in zou gaan, maar dat project is afgelast,” vertelt Van Dishoeck. “Dat is jammer, maar het was voor mij en mijn team een extra reden om het wateroverzicht te maken. Zo hebben we een collectief geheugen voor als er een nieuwe missie komt.”

Welke telescopen zich in de komende decennia verder over het watervraagstuk zullen buigen, is dus nog even afwachten. Maar één ding staat wel vast; alle waterobservaties die vanaf nu in de ruimte gedaan worden, zullen voortborduren op de bevindingen van Herschel zoals die nu uitgebreid in het blad Astronomy & Astrophysics beschreven zijn. Want Herschel is cruciaal geweest voor onze kijk op water in de ruimte, zo stelt ook Hogerheijde. “Alleen met een satelliet kan koude waterdamp waargenomen worden. Vanaf het aardoppervlak is dat onzichtbaar vanwege de waterdamp in onze eigen atmosfeer, en is alleen heel heet waterdamp zichtbaar. Omdat verreweg het meeste waterdamp koud is, was ons beeld voor Herschel dus onvolledig.”