Een artistieke impressie van het Herschel Space Observatory met op de achtergrond de waarneming van stervorming in de Rozetnevel.
(Afbeelding: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, schrijver en redacteur van The Kavli Foundation, heeft dit artikel bijgedragen aan Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Van toevallige kampeertrips tot het smeden van internationale consensus over grote budgetwaarnemingscentra, de Kavli-prijswinnaar 2018 bespreekt haar persoonlijke en professionele reis op het gebied van astrochemie.
NIET ALLE RUIMTE IS ZO EEN BARRENPLAATS. Sterrenstelsels zitten boordevol stoffige wolken met rijke stoofschotels aan moleculen, variërend van eenvoudig waterstofgas tot complexe organische stoffen die essentieel zijn voor de ontwikkeling van het leven. Begrijpen hoe al deze kosmische ingrediënten zich vermengen bij de vorming van sterren en planeten is het levenswerk van Ewine van Dishoeck.
Van Dishoeck, een chemicus van opleiding, richtte al snel haar ogen op de kosmos. Ze was een pionier op het gebied van veel vooruitgang in het opkomende gebied van de astrochemie en maakte gebruik van de nieuwste telescopen om de inhoud van enorme sterdragende wolken te onthullen en te beschrijven. Tegelijkertijd ging Van Dishoeck door met laboratoriumexperimenten en kwantumberekeningen terra firma om de afbraak van kosmische moleculen door sterrenlicht te begrijpen, evenals de omstandigheden waaronder nieuwe moleculen als legoblokjes op elkaar stapelen. [8 verbijsterende astronomie-mysteries]
"Van Dishoeck ontving de Kavli-prijs voor astrofysica voor haar gecombineerde bijdragen aan de observationele, theoretische en laboratoriumastrochemie, die de levenscyclus van interstellaire wolken en de vorming van sterren en planeten verhelderd". Ze is slechts de tweede laureaat op een gebied dat is onderscheiden als enige ontvanger van de prijs in zijn geschiedenis.
Om meer te weten te komen over haar baanbrekende carrière in de astrochemie en wat de toekomst biedt voor het veld, sprak de Kavli Foundation met van Dishoeck vanuit haar kantoor aan de Sterrewacht Leiden aan de Universiteit van Leiden in Nederland, net voordat ze naar een personeelsbarbecue ging. Van Dishoeck is hoogleraar moleculaire astrofysica en de gekozen president van de Internationale Astronomische Unie (IAU).
Het volgende is een bewerkte transcriptie van de rondetafelgesprek. Van Dishoeck is in de gelegenheid gesteld haar opmerkingen te wijzigen of te wijzigen.
DE KAVLI-STICHTING: Wat vertelt astrochemie ons over onszelf en het universum waarin we leven?
EWINE VAN DISHOECK: Het algemene verhaal van de astrochemie is: wat is onze oorsprong? Waar komen we vandaan, hoe zijn we gebouwd? Hoe zijn onze planeet en zon gevormd? Dat brengt ons er uiteindelijk toe om te proberen de basisbouwstenen voor de zon, de aarde en ons te ontdekken. Het is net als Lego - we willen weten welke stukjes er in de Lego-bouwset voor ons zonnestelsel zaten.
De meest elementaire bouwstenen zijn natuurlijk de chemische elementen, maar hoe deze elementen combineren om grotere bouwstenen - moleculen - in de ruimte te creëren, is cruciaal om te begrijpen hoe al het andere tot stand is gekomen.
TKF: Jij en andere onderzoekers hebben nu meer dan 200 van deze moleculaire bouwstenen in de ruimte geïdentificeerd. Hoe is het veld in de loop van je carrière geëvolueerd?
EVD: In de jaren zeventig ontdekten we dat zeer ongebruikelijke moleculen, zoals ionen en radicalen, relatief veel voorkomen in de ruimte. Deze moleculen ontbreken of hebben ongepaarde elektronen. Op aarde houden ze het niet lang vol omdat ze snel reageren op andere zaken die ze tegenkomen. Maar omdat de ruimte zo leeg is, kunnen ionen en radicalen tienduizenden jaren leven voordat ze ergens tegenaan botsen.
Nu zijn we op weg om de moleculen te identificeren die aanwezig zijn in het hart van de regio's waar nieuwe sterren en planeten worden gevormd, precies op dit moment. We komen voorbij het zien van geïsoleerde ionen en radicalen naar meer verzadigde moleculen. Hieronder vallen organische [koolstofhoudende] moleculen in de eenvoudigste vormen, zoals methanol. Van die basale bouwsteen voor methanol kun je opbouwen tot moleculen zoals glycolaldehyde, wat een suiker is, en ethyleenglycol. Beide zijn "prebiotische" moleculen, wat betekent dat ze nodig zijn voor de uiteindelijke vorming van levensmoleculen.
Waar het astrochemische veld nu naartoe beweegt, is het wegnemen van een inventarisatie van moleculen en proberen te begrijpen hoe deze verschillende moleculen worden gevormd. We proberen ook te begrijpen waarom we grotere hoeveelheden van bepaalde moleculen in bepaalde kosmische gebieden kunnen vinden in vergelijking met andere soorten moleculen.
TKF: Wat je net zei, doet me denken aan een analogie: astrochemie gaat nu minder over het vinden van nieuwe moleculen in de ruimte - een beetje zoals zoölogen die op zoek zijn naar nieuwe dieren in de jungle. Het veld gaat nu meer over de 'ecologie' van hoe die moleculaire dieren met elkaar omgaan, en waarom er hier zo veel van een bepaald soort zijn, maar zo weinig daarginds, enzovoort.
EVD: Dat is een goede analogie! Terwijl we de fysica en de chemie van hoe sterren en planeten zich beginnen te begrijpen, is een belangrijk deel aan het uitzoeken waarom sommige moleculen in bepaalde interstellaire regio's overvloedig zijn, maar 'uitgestorven', net als dieren in andere regio's.
Als we uw metafoor voortzetten, zijn er inderdaad veel interessante interacties tussen moleculen die kunnen worden vergeleken met dierenecologie. Zo is temperatuur een controlerende factor in het gedrag en de interacties van moleculen in de ruimte, wat ook de activiteit van dieren en hun woonplaats beïnvloedt, enzovoort.
TKF: Terugkomend op het idee van bouwstenen, hoe werkt het opbouwproces in de astrochemie precies?
EVD: Een belangrijk concept bij het bouwen van moleculen in de ruimte is er een die we kennen uit het dagelijks leven hier op aarde, faseovergangen genoemd. Dat is wanneer een vaste stof in een vloeistof smelt of een vloeistof in gas verdampt, enzovoort.
Nu in de ruimte heeft elk molecuul zijn eigen 'sneeuwlijn', de scheiding tussen een gasfase en een vaste fase. Zo heeft water bijvoorbeeld een sneeuwgrens, waar het van watergas naar waterijs gaat. Ik wijs erop dat vloeibare vormen van elementen en moleculen niet in de ruimte kunnen bestaan omdat er te weinig druk is; water kan vloeibaar zijn op aarde vanwege de druk van de atmosfeer van de planeet.
Terug naar de sneeuwlijnen ontdekken we nu dat ze een zeer belangrijke rol spelen bij de vorming van planeten, waarbij ze veel van de chemie beheersen. Een van de belangrijkste Lego-bouwstenen die we hebben gevonden, is koolmonoxide. We kennen koolmonoxide op aarde omdat het bijvoorbeeld bij verbranding wordt geproduceerd. Mijn collega's en ik hebben in het laboratorium in Leiden aangetoond dat koolmonoxide het startpunt is voor het maken van veel complexere organische stoffen in de ruimte. Koolmonoxide dat uit een gas vriest tot een vaste fase is een cruciale eerste stap om vervolgens Lego-bouwstenen van waterstof toe te voegen. Hierdoor kun je steeds grotere moleculen zoals formaldehyde [CH2O], dan methanol, op glycolaldehyde zoals we bespraken, of je kunt zelfs naar meer complexe moleculen gaan, zoals glycerol [C3H8O3].
Dat is slechts één voorbeeld, maar het geeft je een idee van hoe een opbouwproces zich afspeelt in de astrochemie.
TKF: Je noemde zojuist je lab op de Sterrewacht Leiden, de Sackler Laboratory for Astrophysics, die ik begrijp, onderscheidt zich als het allereerste astrofysica-lab. Hoe is het ontstaan en wat heb je daar bereikt?
EVD: Dat is juist. Mayo Greenberg, een baanbrekende astrochemicus, startte het laboratorium in de jaren zeventig en het was echt het eerste in zijn soort voor astrofysica ter wereld. Hij ging met pensioen en daarna hield ik het lab in stand. Uiteindelijk werd ik begin jaren negentig directeur van dit laboratorium en dat bleef ik tot rond 2004, toen een collega leiding nam. Ik werk nog steeds samen en voer daar experimenten uit.
Wat we in het lab zijn gelukt, zijn de extreme omstandigheden in de ruimte: de kou en de straling. We kunnen de temperaturen in de ruimte reproduceren tot 10 kelvin [min 442 graden Fahrenheit; minus 260 graden Celsius], wat slechts een heel klein beetje boven het absolute nulpunt ligt. We kunnen ook de intense ultraviolette straling in sterrenlicht nabootsen waaraan moleculen worden blootgesteld in gebieden met nieuwe stervorming. [Star Quiz: Test Your Stellar Smarts]
Waar we echter niet in slagen, is het reproduceren van de leegte van de ruimte, het vacuüm. We beschouwen een ultrahoog vacuüm in het laboratorium in de orde van 108 tot 1010 [honderd miljoen tot tien miljard] deeltjes per kubieke centimeter. Wat astronomen een dichte wolk noemen, waar de vorming van sterren en planeten plaatsvindt, heeft er maar ongeveer 104of ongeveer 10.000 deeltjes per kubieke centimeter. Dat betekent dat een dichte wolk in de ruimte nog steeds een miljoen keer leger is dan de beste die we in het lab kunnen doen!
Maar dit werkt uiteindelijk in ons voordeel. In het extreme vacuüm van de ruimte beweegt de chemie die we willen begrijpen heel langzaam. Dat gaat gewoon niet in het lab, waar we niet kunnen wachten tot 10.000 of 100.000 jaar voordat de moleculen tegen elkaar botsen en op elkaar reageren. In plaats daarvan moeten we de reactie op een dag kunnen uitvoeren om iets te leren op de tijdschalen van een carrière in de menselijke wetenschap. Zo versnellen we alles en kunnen we wat we in het lab zien vertalen naar de veel langere tijdschalen in de ruimte.
TKF: Naast het laboratoriumwerk heb je tijdens je carrière een reeks telescopen gebruikt om moleculen in de ruimte te bestuderen. Welke instrumenten waren essentieel voor je onderzoek en waarom?
EVD: Nieuwe instrumenten zijn gedurende mijn hele carrière cruciaal geweest. Astronomie wordt echt gedreven door waarnemingen. Het hebben van steeds krachtigere telescopen in nieuwe golflengten van licht is als met andere ogen naar het universum kijken.
Om je een voorbeeld te geven, ik kwam eind jaren tachtig terug naar Nederland toen het land sterk betrokken was bij de Infrared Space Observatory, of ISO, een missie onder leiding van de European Space Agency [ESA]. Ik had het geluk dat iemand anders 20 jaar lang hard heeft gewerkt om die telescoop te realiseren en ik kon hem met plezier gebruiken! ISO was erg belangrijk omdat het het infraroodspectrum opende waar we al deze spectrale handtekeningen, zoals chemische vingerafdrukken, van ijs inclusief water konden zien, die een belangrijke rol spelen bij de vorming van sterren en planeten en in het geval van water, is natuurlijk van cruciaal belang voor het leven. Dat was een geweldige tijd.
De volgende zeer belangrijke missie was de Herschel Space Observatory, waar ik in 1982 persoonlijk als afgestudeerde student bij betrokken raakte. Van de chemiekant was het duidelijk dat Herschel een uitstekende missie was voor interstellaire moleculen, en in het bijzonder om "de waterpad. " Maar eerst moesten we de wetenschappelijke case voor ESA maken. Ik ben een aantal jaren naar de Verenigde Staten geweest en heb daar soortgelijke discussies gevoerd, waar ik hielp de wetenschappelijke argumenten voor Herschel te maken voor Amerikaanse financieringsinstanties. Het was allemaal een grote druk totdat de missie eind jaren negentig eindelijk werd goedgekeurd. Daarna duurde het nog 10 jaar om te bouwen en te lanceren, maar eind 2009 kregen we eindelijk onze eerste gegevens. Dus van 1982 tot 2009 - dat was een lange termijn! [Foto's: de verbazingwekkende infraroodbeelden van Herschel Space Observatory]
TKF: Wanneer en waar heeft je liefde voor ruimte en chemie wortel geschoten?
EVD: Mijn grootste liefde was altijd voor moleculen. Dat begon op de middelbare school met een heel goede scheikundeleraar. Veel hangt af van echt goede leraren, en ik denk niet dat mensen altijd beseffen hoe belangrijk dat is. Ik realiseerde me pas toen ik ging studeren dat natuurkunde net zo leuk was als scheikunde.
TKF: Welk academisch pad heb je gevolgd om uiteindelijk astrochemicus te worden?
EVD: Aan de Universiteit Leiden heb ik mijn master scheikunde gedaan en was ervan overtuigd dat ik verder wilde gaan met theoretische kwantumchemie. Maar de hoogleraar op dat gebied in Leiden was overleden. Dus begon ik rond te kijken naar andere opties. Ik wist in die tijd echt niet veel over astronomie. Het was mijn toenmalige vriend en huidige echtgenoot, Tim, die net een reeks lezingen over het interstellaire medium had gehoord, en Tim zei tegen mij: 'Weet je, er zijn ook moleculen in de ruimte!' [Gelach]
Ik ben de mogelijkheid gaan onderzoeken om een proefschrift te doen over moleculen in de ruimte. Ik ging van de ene professor naar de andere. Een collega in Amsterdam vertelde me dat ik, om echt op het gebied van astrochemie te komen, naar Harvard moest gaan om met professor Alexander Dalgarno te werken. In de zomer van 1979 reisden Tim en ik namelijk naar Canada om een Algemene Vergadering van de Internationale Astronomische Unie in Montreal bij te wonen. We kwamen erachter dat er satellietbijeenkomsten werden gehouden voor de Algemene Vergadering, en een daarvan vond eigenlijk plaats in dit specifieke park waar Tim en ik kampeerden. Het idee dat we hadden was: "Wel, misschien moeten we van deze gelegenheid gebruik maken en al naar professor Dalgarno gaan!"
Natuurlijk hadden we al deze kampeerspullen en kleding, maar ik had een schone rok bij me die ik aantrok. Tim reed me naar de satellietbijeenkomst, we vonden mijn collega uit Amsterdam en hij zei: "Oh goed, ik zal je voorstellen aan professor Dalgarno." De professor nam me mee naar buiten, we spraken vijf minuten, hij vroeg me wat ik had gedaan, wat mijn astrochemische vaardigheden waren, en toen zei hij: 'Klinkt interessant; waarom kom je niet voor mij werken?' Dat was duidelijk een cruciaal moment.
Zo is het allemaal begonnen. Ik heb sindsdien nooit meer spijt gehad.
TKF: Waren er andere cruciale momenten, misschien al vroeg in je jeugd, die je op weg hebben gezet om wetenschapper te zijn?
EVD: Eigenlijk ja. Ik was ongeveer 13 jaar oud en mijn vader had net een sabbatical in San Diego, Californië geregeld. Ik nam afscheid van mijn middelbare school in Nederland, waar we vooral lessen Latijn en Grieks hadden gevolgd en natuurlijk wat wiskunde. Maar we hadden nog niets op het gebied van scheikunde of natuurkunde, en de biologie begon pas een of twee jaar later.
Op de junior high school in San Diego besloot ik onderwerpen te bestuderen die heel anders waren. Ik nam bijvoorbeeld Spaans. Er was ook de mogelijkheid om wetenschap te doen. Ik had een heel goede leraar, een Afro-Amerikaanse vrouw, wat destijds, in 1968, vrij ongebruikelijk was. Ze was gewoon heel inspirerend. Ze had experimenten, ze had vragen, en ze wist me echt bij de wetenschap te betrekken.
TKF: Kijkt nu vooruit naar de belofte van de Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), die enkele jaren geleden is geopend en een van de meest ambitieuze en dure astronomieprojecten op de grond is die ooit zijn uitgevoerd. Astrofysicus Reinhard Genzel dankt u voor het helpen smeden van de internationale consensus achter dit observatorium. Hoe kwam u op voor ALMA?
EVD: ALMA is een verbluffend succes geweest als het eerste observatorium in dit speciale assortiment millimeter- en submillimeterlicht dat een belangrijk venster is voor het observeren van moleculen in de ruimte. Tegenwoordig bestaat ALMA uit 66 radiotelescopen met configuraties van 7 en 12 meter die zich uitstrekken over een hooggelegen vlakte in Chili. Het was een heel lange weg om te komen waar we nu zijn!
ALMA is het resultaat van de dromen van vele duizenden mensen. Ik was een van de twee leden van Europese zijde in de Amerikaanse Wetenschappelijke Adviescommissie voor ALMA. Ik kende de Noord-Amerikaanse wetenschappelijke gemeenschap goed van mijn zes jaar in de Verenigde Staten. De twee kanten, evenals Japan, hadden heel verschillende concepten voor ALMA. De Europeanen dachten na over een telescoop die gebruikt zou kunnen worden voor diepe, zeer vroege heelalchemie, terwijl de Noord-Amerikanen veel meer nadachten over grootschalige beeldvorming met hoge resolutie; de ene groep had het over het bouwen van telescopen van acht meter, de andere over telescopen van 15 meter. [Maak kennis met ALMA: Amazing Photos from Giant Radio Telescope]
Dus ik was een van de mensen die hielp die twee argumenten bij elkaar te brengen. Ik zei: "Als je een veel grotere reeks bouwt, winnen we eigenlijk allemaal." Het plan was om een groter aantal telescopen samen te brengen in één array, in plaats van afzonderlijke arrays, die niet zo krachtig zijn. En dat is wat er is gebeurd. We hebben de toon gezet om samen te werken aan dit fantastische project in plaats van concurrenten te zijn.
TKF: Welke nieuwe grenzen opent ALMA in de astrochemie?
EVD: De grote sprong die we maken met ALMA is in ruimtelijke resolutie. Stel je voor dat je van bovenaf naar een stad kijkt. De eerste Google Earth-afbeeldingen waren erg slecht - je kon bijna niets zien; een stad was een grote klodder. Sindsdien zijn de beelden steeds scherper geworden naarmate de ruimtelijke resolutie is verbeterd met de camera's aan boord van satellieten. Tegenwoordig zie je de grachten [in Nederlandse steden], de straten, zelfs individuele huizen. Je kunt echt zien hoe de hele stad in elkaar zit.
Hetzelfde gebeurt nu met de geboorteplaatsen van planeten, dat zijn deze kleine schijfjes rond jonge sterren. Die schijven zijn honderd tot duizend keer kleiner dan de wolken waar we eerder naar hebben gekeken waar sterren worden geboren. Met ALMA zoomen we in op de regio's waar nieuwe sterren en planeten ontstaan. Dat zijn echt de relevante schalen om te begrijpen hoe die processen werken. En ALMA heeft op unieke wijze de spectroscopische mogelijkheden om een zeer breed scala aan moleculen die bij die processen betrokken zijn, te detecteren en te bestuderen. ALMA is een fantastische stap voorwaarts van alles wat we eerder hebben gehad.
TKF: De nieuwe telescopen die je in de loop van je carrière hebt mogen gebruiken, zijn buitengewoon gebleken. Tegelijkertijd zijn we nog steeds beperkt tot wat we in de kosmos kunnen zien. Als u vooruit denkt aan toekomstige generaties telescopen, wat hoopt u dan het meest te zien?
EVD: De volgende stap in ons onderzoek is de James Webb Space Telescope [JWST], die in 2021 wordt gelanceerd. Met JWST kijk ik er erg naar uit om organische moleculen en water op nog kleinere schaal en in verschillende delen van de planeet te zien- zones vormen, dan is mogelijk met ALMA.
Maar ALMA zal nog lang essentieel zijn voor ons onderzoek - nog eens 30 tot 50 jaar. Er is nog zoveel dat we moeten ontdekken met ALMA. ALMA kan ons echter niet helpen het binnenste deel van een planeetvormende schijf te bestuderen, op de schaal van waar onze aarde is gevormd, op korte afstand van de zon. Het gas in de schijf is daar veel warmer en het infrarode licht dat het afgeeft, kan worden opgevangen door een instrument dat mijn collega's en ik hebben helpen implementeren voor JWST.
JWST is de laatste missie waaraan ik heb gewerkt. Nogmaals, het was toevallig dat ik meedeed, maar ik bevond me in een goede positie met mijn Amerikaanse partners en collega's om te helpen. Een aantal van ons van Europese en Amerikaanse zijde kwam samen en zei: "Hé, we willen dit instrument mogelijk maken en we kunnen het doen in een 50/50 partnerschap."
TKF: Gezien je werk aan de bouwstenen waaruit sterren en planeten bestaan, lijkt de kosmos vatbaar voor of zelfs bevorderlijk voor het leven?
EVD: Ik zeg altijd dat ik de bouwstenen lever, en dan is het aan de biologie en chemie om de rest van het verhaal te vertellen! [Gelach] Uiteindelijk maakt het uit over wat voor soort leven we praten. Hebben we het over het meest primitieve, eencellige leven waarvan we weten dat het snel op aarde is ontstaan? Gezien alle ingrediënten die we beschikbaar hebben, is er geen reden waarom dat niet zou kunnen gebeuren op een van de miljarden exoplaneten waarvan we nu weten dat ze miljarden andere sterren cirkelen.
Als we naar de volgende stappen van het meercellige en uiteindelijk intelligente leven gaan, begrijpen we nog maar heel weinig hoe dat voortkomt uit een eenvoudiger leven. Maar ik denk dat het veilig is om te zeggen, gezien de complexiteit, is het minder waarschijnlijk dat dat net zo vaak zal gebeuren als bijvoorbeeld microben. [10 exoplaneten die buitenaards leven kunnen huisvesten]
TKF: Hoe zal het veld van de astrochemie ons helpen de vraag te beantwoorden of die er is buitenaards leven in het universum?
EVD: Het bestuderen van de chemie van exoplaneetatmosferen zal ons helpen deze vraag te beantwoorden. We zullen veel potentieel aardachtige exoplaneten vinden. De volgende stap zal zijn om te zoeken naar spectrale vingerafdrukken, die ik eerder noemde, in de atmosfeer van de planeten. In die vingerafdrukken gaan we specifiek op zoek naar 'biomoleculen' of combinaties van moleculen die de aanwezigheid van een bepaalde vorm van leven kunnen aangeven. Dat betekent niet alleen water, maar ook zuurstof, ozon, methaan en meer.
Onze huidige telescopen kunnen die vingerafdrukken in de atmosfeer van exoplaneten nauwelijks detecteren. Daarom bouwen we de volgende generatie gigantische telescopen op de grond, zoals de Extremely Large Telescope, die een spiegel zal hebben die ongeveer drie keer zo groot is als alles wat er tegenwoordig is. Ik ben betrokken bij het maken van de wetenschappelijke argumenten daarvoor en andere nieuwe instrumenten, en biosignaturen zijn echt een van de belangrijkste doelen. Dat is de opwindende richting waar de astrochemie naartoe gaat.
