Een primeur: nog niet eerder is methaanijs onder ruimtecondities op aarde gemaakt.

Wij zien methaan (CH4) hier op aarde onder meer als een zeer potent broeikasgas. Maar wist je dat het ook elders in ons zonnestelsel overvloedig voorkomt? Zo bevatten Neptunus en Uranus naast waterstof en helium vooral methaangas. En op Titan – een maan van Saturnus – regent het vloeibaar methaan. Maar ook buiten ons zonnestelsel is methaan te vinden. Sterker nog, in de interstellaire ruimte is methaanijs één van de tien meest voorkomende ijsvormen.

Experiment
Maar hoe ontstaat methaanijs eigenlijk precies in die interstellaire ruimte? Wetenschappers hadden daar wel ideeën over. Maar dankzij werk, verzet in het laboratorium voor astrofysica van de Sterrewacht Leiden, weten we het nu vrij nauwkeurig. In dat lab bootsten onderzoekers de omstandigheden in de interstellaire ruimte na en keken vervolgens hoe methaanijs onder die omstandigheden het levenslicht ziet.


Methaan is een vrij eenvoudige koolwaterstof en bestaat uit een koolstofatoom en vier waterstofatomen. Aangenomen wordt dat methaanijs in de ruimte stapsgewijs ontstaat. Eerst ontstaat er CH (een koolstofatoom bindt zich aan een waterstofatoom), vervolgens voegt zich daar nog een waterstofatoom bij (CH2), daarna nog eentje (CH3) – dit zijn allemaal moleculen die graag verder reageren – totdat het vierde waterstofatoom resulteert in de vorming van het stabiele methaan (CH4). In de gasfase gaat dat proces langzaam omdat de dichtheden in de ruimte bijzonder laag zijn. Maar op een ijzig stofdeeltje kan het – zo was de hypothese – wel eens sneller gaan, omdat hier meerdere deeltjes in elkaars buurt vastgevroren zitten. Bovendien kan een ijzig stofdeeltje de energie absorberen, die bij chemische reacties vrijkomt, waardoor de kans dat een gevormd molecuul uit elkaar valt aanzienlijk kleiner is. De onderzoekers toetsten die hypothese door waterstofatomen en koolstofatomen in hun laboratorium te laten botsen op een ijskoud oppervlak, bij een temperatuur van -263 graden Celsius en in een ultra-hoog vacuüm.

Danna Qasim met de complexe installatie waarmee omstandigheden zoals die in de interstellaire ruimte voorkomen, kunnen worden nagebootst.

Blij verrast
En jawel, er ontstond methaanijs. “We waren blij te zien dat methaanijs inderdaad gevormd kon worden door waterstofatomen aan een koolstofatoom toe te voegen,” zo vertelt onderzoekster Danna Qasim aan Scientias.nl. “En we waren blij verrast te zien dat je nog meer methaanijs kunt maken als er water (H2O) wordt toegevoegd. Dit is volledig in lijn met conclusies gebaseerd op astronomische waarnemingen, die laten zien dat dat methaan- en waterijs samen op stofdeeltjes in de ruimte voorkomen. ”

Van de interstellaire wolk naar de atmosfeer van Titan
Het methaanijs dat Qasim en haar collega’s maakten, ontstond onder extreme omstandigheden die vergelijkbaar zijn met de omstandigheden zoals we die in de ruimte zien, voordat nieuwe sterren en planeten ontstaan. “Het doel van laboratorium astrofysisch onderzoek is om zowel kwalitatieve als kwantitatieve informatie te verkrijgen over de chemische reacties die in interstellaire wolken plaatsvinden, want alleen zo kun je de waarnemingen begrijpen en deze met modellen proberen te reproduceren,” vertelt professor Harold Linnartz, hoofd van het Laboratorium voor Astrofysica. In deze interstellaire wolken wordt het materiaal gevormd waaruit uiteindelijk nieuwe sterren en planeten ontstaan. Het bewijs dat in deze interstellaire wolken methaanijs wordt gevormd, onderschrijft het idee dat het methaan dat we nu bijvoorbeeld in de atmosfeer van Titan aantreffen, al aanwezig was voor ons zonnestelsel vorm kreeg. Onduidelijk blijft echter hoe het in de interstellaire ruimte gevormde methaan uiteindelijk op die planeten terechtkwam. “Astrochemici proberen beter te begrijpen hoe en welke materialen er vanuit de interstellaire ruimte in protoplanetaire schijven en uiteindelijk in planetaire systemen terecht komen,” aldus Qasim. “We weten niet hoe methaanijs precies in de atmosfeer van Titan terecht is gekomen. Een veel gehoord scenario is, dat stofdeeltjes samenklonteren tot grotere objecten, zoals kometen, en dat die in jonge jaren van ons zonnestelsel insloegen op planeten en daarbij als een soort chemische postbode functioneerden.” Wat onderzoekers wel met zekerheid kunnen zeggen is dat de omstandigheden in de periode waarin ons zonnestelsel vorm kreeg, continu veranderden. “Dat betekent dat het methaan dat ontstaat in vaste vorm in de interstellaire ruimte een belangrijk uitgangspunt is voor de vorming van andere en meer complexe moleculen. ”


Implicaties
Het onderzoek geeft ons meer inzicht in het ontstaan van methaan. “Doordat we nu weten onder welke omstandigheden methaan gevormd wordt, kunnen we een beter beeld krijgen van het verband tussen methaan dat in interstellaire wolken ontstaat en het methaan dat we terugzien in planeten, manen, kometen, enzovoort,” vertelt Qasim. “Omdat we weten hoe methaan ontstaat, kunnen we ook voorspellen waar de grootste dichtheden van deze stof voorkomen in een protoplanetaire schijf en waar dus de kans op gasplaneten met methaan in de atmosfeer het grootst is.”

Het nabootsen van de omstandigheden in de ruimte is niet gemakkelijk. En het nabootsen van de vorming van methaanijs is ook lastig. Veel lastiger dan het nabootsen van het ontstaan van water en ammoniakijs, iets wat de onderzoekers in Leiden eerder al presteerden. Dat heeft alles te maken met de koolstofatomen die nodig zijn om methaan te maken. Koolstof is namelijk nogal plakkerig. “Dus het is een uitdaging om een gecontroleerde bundel pure koolstofatomen te maken. En tegelijkertijd wil je natuurlijk niet dat je opstelling na een experiment helemaal onder het koolstof zit.” Ondanks de uitdagingen die het werk met zich meebrengt, proeven met name de laatste experimenten toch naar meer. “Nu we weten dat methaan gevormd kan worden door een reactie tussen koolstof- en waterstofatomen, is onze volgende vraag: kunnen we nog complexere moleculen met daarin koolstofatomen, maken?” De experimenten aan de Sterrewacht Leiden maken het nu mogelijk om grotere complexe organische moleculen te vormen, en op een wijze die tot nu toe niet eerder is onderzocht. Qasim: “Hier ligt de toekomst van dit onderzoek. Dus dat gaan we nu doen.”