De ruimte tussen de sterren, het interstellaire medium (ISM), is koud en bijzonder ijl, maar niet helemaal leeg: twee deeltjes botsen er gemiddeld eens in de twee weken. Het ISM is dus geen plek waar je veel chemie verwacht. Toch gebeurt er chemisch van alles en reacties in de gasfase en op koude ijzige stofdeeltjes zorgen voor een verbazingwekkende chemische diversiteit. Met grote telescopen worden jaarlijks zo’n vijf tot tien nieuwe moleculen ontdekt in de ruimte.

‘We bootsen stukjes interstellaire ruimte na in het lab om te achterhalen hoe astrochemische reactienetwerken eruitzien’

In het laboratorium onderzoeken astrochemici hoe die stoffen in de ruimte kunnen ontstaan. ‘Wat wij in het laboratorium doen, is stukjes interstellaire ruimte nabootsen om te achterhalen hoe astrochemische reactienetwerken eruitzien’, aldus Harold Linnartz, hoogleraar laboratorium-astrofysica aan de Universiteit Leiden. ‘Dit zijn de puzzelstukjes die ons een beeld moeten geven van het heelal als een reactievat.’

Fullerenen

Inmiddels zijn er een kleine 250 verschillende moleculen in de ruimte ontdekt, klein en groot, stabiel en hoog reactief. Daarvoor speuren telescopen als de Atacama Large Millimeter Array (ALMA) of de Herschel Space Telescoop de hemel af naar spectrale data die overeenkomen met geanalyseerde laboratoriumdata. ‘Een belangrijke klasse van moleculen zijn daarbij de polycyclische aromatische koolwaterstoffen oftewel PAKs’, vertelt Linnartz. Dergelijke moleculen bestaan uit vijf- en zesringen van koolstofatomen en ontstaan wanneer sterren aan het eind van hun leven grote hoeveelheden materiaal uitstoten, een beetje als een walmende kosmische kaars.

Uit deze PAKs ontstaan weer andere moleculen. Wanneer straling in de ruimte de PAKs aanslaat, gaan ze fragmenteren waarbij moleculen ontstaan die op de aarde niet voorkomen. Ze verliezen eerst vooral waterstofatomen. Je krijgt dan gedehydrogeneerde PAKs, veelal met een veelvoud aan isomeren, totdat er een grafeenachtig molecuul overblijft, een PAK zonder waterstofatomen. Gelijktijdig en vooral daarna verdwijnen er ook C-atomen, waarbij het vlakke PAK kan gaan krullen. Linnartz: ‘Start je met erg grote PAKs, (GRAND-PAHs in het Engels, red.), dan kunnen daarbij fullerenen als C₆₀ en C₇₀ ontstaan.’ Fullerenen staan ook bekend onder de naam buckyballen, naar hun symmetrische bolvorm en de gelijkenis met de geodetische koepel van architect Richard Buckminster Fuller.

‘Kleinere fullerenen zouden wel eens meer kunnen voorkomen in de ruimte dan je zou verwachten’

We weten sinds 2010 dankzij de meetresultaten van de telescopen dat deze complexe moleculen inderdaad in het ISM voorkomen. ‘Bij deze reacties kunnen ook kleinere fullerenen en zelfs lange koolstofketens als C₁₁ en C₁₅ ontstaan, maar deze zijn nog niet in de ruimte aangetoond’, vertelt Linnartz. ‘Het is ook niet duidelijk hoe je van een PAK een lineair molecuul maakt met elf C-atomen.’ De afgelopen twee jaren werkte zijn IJslandse postdoc Helgi Hrodmarsson aan deze materie in het kader van een Marie Curie Fellowship van de Europese Commissie.

Starten bij grote moleculen

Om de chemie van deze moleculen te bestuderen, bestraalden de onderzoekers de PAKs in een ionenval met verschillende kleuren licht. In volledig gecontroleerde omstandigheden kon zo het fragmentatiegedrag van grote PAKs worden onderzocht. Linnartz: ‘We starten daarbij met PAKs met zeventig of meer C-atomen die commercieel te verkrijgen zijn of laten deze synthetiseren, bijvoorbeeld in Leiden door onze organisch chemici.’ De onderzoekers gebruiken een instrument dat zeven jaar geleden speciaal voor dit onderzoek is gebouwd: i-PoP (instrument for Photodynamics of PAHs). Het is een vacuümopstelling met een ionenval en een time-of-flight massaspectrometer. Geladen PAKs die in de val vastzitten, absorberen laserlicht met fotonen variërend van diep-UV tot optische en infrarode golflengtes. Door vervolgens de val te openen, wordt duidelijk welke fragmenten daarbij zijn ontstaan.

Een interessante ontdekking was dat de grote PAKs beter bestand zijn tegen dissociatie dan de kleinere moleculen. Het lijkt erop dat ook de symmetrie van een PAK een rol speelt in het interstellaire dissociatieproces. Een andere opvallende conclusie was dat bij de meeste PAKs steeds een C₂-eenheid wordt afgestoten waardoor ze kleiner en kleiner worden, totdat ze een massa van 384 amu bereiken, een molecuul met 32 C-atomen. Daarna resulteert fragmentatie alleen nog in veel kleinere moleculen. ‘Omdat dit gedrag universeel is, zou dit er op kunnen duiden dat kleinere fullerenen meer voorkomen in de ruimte dan je zou verwachten’, zegt Linnartz. ‘Bewijzen kunnen we dat nog niet, omdat hiervoor in het laboratorium nog geen spectra zijn gemeten.’

James Webb Space Telescope

In veel astrochemisch onderzoek wordt ervan uitgegaan dat grotere complexe moleculen worden gevormd door kleinere met elkaar te laten reageren, bijvoorbeeld op ijzige stofdeeltjes. Maar PAKs bieden een top-down scenario. ‘Bijzonder aan dit onderzoek is dat wij juist starten bij grote moleculen en kijken hoe deze afgebroken worden. We hebben in het verleden al laten zien dat GRAND PAHs omgezet kunnen worden in fullerenen en het is goed mogelijk dat er nog veel andere PAK-gerelateerde moleculen bestaan in het heelal. We hebben vooralsnog niets gevonden dat deze hypothese tegenspreekt’, aldus Linnartz.

Het bijzondere van i-PoP is dat het een mobiele opstelling is, waardoor het niet alleen in Leiden kan worden gebruikt met ‘normale’ lasers, maar ook op andere locaties met verschillende lichtbronnen, zoals de synchrotron SOLEIL in Saint Aubin of bij de Free Electron Laser FELIX in Nijmegen. Linnartz: ‘In het verleden zijn we daar verschillende malen met i-PoP naartoe gereisd, maar helaas konden we vanwege COVID-19 de afgelopen periode niet meten op andere locaties.’

Een volgende stap in dit astrochemisch onderzoek is om meer te weten te komen over welke verschillende PAKs in de ruimte aanwezig zijn, vertelt Linnartz. ‘De beschikbare spectra geven veel hints maar nog geen uitsluitsel. Komen in de ruimte bijvoorbeeld stikstofhoudende PAKs voor, de zogenaamde PANHs? Mogelijk leren we daar over niet al te lange termijn meer over, want de meetinstrumenten van de net gelanceerde James Webb Space Telescope werken precies op de golflengtes waar PAKs erg goed zichtbaar zijn en bovendien is deze telescoop bijzonder gevoelig. Omdat de JWST buiten onze atmosfeer meet, zijn spectrale vervuilingen afkomstig van andere stoffen niet mogelijk.’