FOM-laser identificeert kristallen in de ruimte

"We zien hoogstwaarschijnlijk iets wat we op aarde niet hebben." Dat zei onderzoeker Sun Kwok van de universiteit van Calgary op 14 mei 1999 in Science over de bron van straling op 21 micrometer, afkomstig van bepaalde rode reuzensterren. Er kon geen bevredigende verklaring voor de herkomst van die straling bedacht worden. "De sleutel tot het 21-micrometermysterie ligt in het laboratorium" kopte Science boven het betreffende artikel. De 21-micrometerstraling werd ontdekt met de Nederlands-Amerikaanse kunstmaan IRAS (in de jaren '80) en de afgelopen jaren in veel meer detail met de Europese kunstmaan ISO gemeten. Daaruit blijkt overigens dat de straling echt piekt op 20,1 micrometer.
In experimenten met de vrije-elektronenlaser FELIX in het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen aan clusters (deeltjes vaste stof die bestaan uit enkele tientallen atomen) zijn zeer stabiele titaankoolstofverbindingen ontdekt. Eén klasse van die verbindingen geeft bij bestraling met infrarood licht een piek te zien op 20,1 micrometer. Het lijkt er sterk op dat het laboratorium 'Rijnhuizen' de sleutel voor de ontrafeling van het mysterie heeft gevonden.

Verbluffende gelijkenis
Het begon met een bezoek van de Groningse astronoom Xander Tielens aan het instituut in Nieuwegein. Daar zag hij op een poster voor een conferentie een infraroodspectrum van titaankoolstofclusters. "Wat grappig" zei hij tegen Deniz van Heijnsbergen en Gert von Helden, die de betreffende metingen hadden gedaan. "Jullie piek bij 20 micrometer ziet er precies zo uit als iets wat wij zien in ISO-waarnemingen van AGB-objecten". Pas later drong het tot de onderzoekers door dat hier misschien iets bijzonders aan de hand was. Tielens stuurde een voorbeeld van zo'n piek in het infraroodspectrum naar Rijnhuizen en de gelijkenis bleek verbluffend. Dat was het begin van meer metingen, berekeningen en veel overleg tussen scheikundigen Gert von Helden (FOM) en Michael Duncan (University of Georgia), de natuurkundigen Deniz van Heijnsbergen (FOM) en Gerard Meijer (FOM/Katholieke Universiteit Nijmegen), en de aan de Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA) verbonden sterrenkundigen Xander Tielens (SRON/Rijksuniversiteit Groningen), Sacha Hony en Rens Waters (Universiteit van Amsterdam). Die samenwerking heeft geleid tot de publicatie die nu in Science verschijnt. De waarnemingen van ISO kunnen uitstekend worden verklaard door het bestaan van kubische titaankoolstofkristallen in de ruimte rond AGB-objecten. De (Engelse) afkorting staat voor asymptotische-reuzentaksterren. Dat zijn op de zon lijkende sterren van zo'n tien miljard jaar oud, die aan het eind van hun leven zijn gekomen en dan opzwellen tot grote, rode koele hemellichamen.

Onderzoek aan clusters
De onderzoekers in "Rijnhuizen" zijn primair geïnteresseerd in clusters. Wetenschappelijk zijn clusters interessant, omdat ze de overgang vormen tussen afzonderlijke atomen en een vaste stof. Een vraag is bijvoorbeeld wanneer de eigenschappen van clusters overgaan in die van vaste stoffen zoals we die uit het dagelijkse leven kennen. Clusters hebben ook praktische toepassingen. Hun chemische eigenschappen kunnen wel degelijk afwijken van die van de vaste stof; dat maakt ze geschikt voor katalyse in scheikundige processen. Zo worden ze bijvoorbeeld gebruikt als katalysator in de uitstoot van autogassen. Het is bekend dat de structuur van clusters bepaalt hoe ze met andere stoffen reageren. Meer informatie over de structuur is dus belangrijk.
Clusters worden bijvoorbeeld gemaakt door een metaal te verdampen en dat met een ander gas, zoals methaan, in aanraking te brengen. Er ontstaat dan een hele reeks aan verbindingen met uiteenlopende molecuulstructuren en dus ook massa's. Al die deeltjes vliegen in het rond en botsen met elkaar. Daardoor ontstaan weer fragmenten. Niet alle oorspronkelijke deeltjes en fragmenten zijn stabiel. Als bij het bepalen van de massa van alle clusters sommige massa's relatief veel voorkomen, betekent dit dat de betreffende moleculen stabiel zijn. Met zo'n soort techniek zijn indertijd de beroemde buckyballen ontdekt.

Stabiele clusters selecteren
Voor onderzoek zijn stabiele clusters uiteraard aantrekkelijk, voor praktische toepassingen ook. Nu biedt de vrije-elektronenlaser FELIX unieke mogelijkheden voor het opsporen en karakteriseren van stabiele clusters en daarom is dit onderzoek in Rijnhuizen opgepakt. Van gewone moleculen is bekend dat ze bij opwarmen intern zo sterk gaan trillen dat ze uit elkaar vallen. Sommige moleculen of clusters echter komen van die interne energie af door een elektron uit te zenden. Dat proces heet thermionische elektronenemissie. De clusters vormen dan een ion, maar blijven intact. Ze zijn stabiel.
Een directe manier om clusters op te warmen is ze te bewerken met lichtdeeltjes die precies de vereiste energie hebben om interne bindingen in het cluster extra aan het trillen te brengen. Die lichtdeeltjes hebben een golflengte in het infrarood. FELIX levert sterke straling in het infrarood en bovendien op naar wens te kiezen golflengtes. Daarin is deze laser uniek in de wereld. Clusters die niet stabiel zijn en uit elkaar vallen door de interne trilling, blijven elektrisch neutraal. De stabiele clusters die een elektron uitzenden, worden een elektrisch geladen ion. Daardoor kunnen ze met behulp van een elektrisch veld van elkaar gescheiden worden. Met FELIX kunnen zo heel nauwkeurig stabiele clusters selectief worden bestudeerd.

Kristallen van stabiele clusters
In hun experimenten hebben de onderzoekers op Rijnhuizen onder andere een gas met daarin tal van verschillende titaankoolstofclusters met opeenvolgende golflengtes bestraald. Wanneer vervolgens alleen ionen worden gedetecteerd en geteld, ontstaat per golflengte een beeld van de stabiele clusters. Bij de meeste golflengten is niets te zien, maar bij sommige golflengten zit een opvallende piek in de hoeveelheid ionen (gemeten als massa).
Voor één specifiek gebied bij een golflengte van 20,1 micrometer wordt een hele serie van stabiele clusters waargenomen. Hun massa's komen overeen met kubische clusters van 3 bij 3 bij 3 atomen (3x3x3), 3x3x4, 3x4x4, et cetera, waarbij de titaan- en de koolstofatomen om en om gerangschikt zitten (zie inzet in figuur 1). De aard van de piek levert informatie over de structuur van de clusters. Aangezien de piek bij 20,1 micrometer ook gezien wordt voor vast titaankoolstof, kan men concluderen dat er in het gas van de laboratoriumopstelling minieme brokjes vast materiaal zweven; de kubusjes worden door de onderzoekers nanokristallen genoemd. Opmerkelijk is echter, dat de piek bij 20,1 micrometer niet blijkt te verschuiven, ook als de kristallen groter worden, terwijl dat wel werd verwacht. Wetenschappelijk is dat saai, dachten Deniz van Heijnsbergen en zijn begeleiders, Gert von Helden en Gerard Meijer. Het maakt de piek groter, maar de meting levert geen extra informatie.

Kristallen in de ruimte
Toen kwam Xander Tielens in beeld, met zijn ISO-spectrum van een AGB-ster, object SAO 96709. Het is een van die objecten die sinds de waarnemingen met de IRAS de 21-micrometer-objecten genoemd zijn gaan worden. Hun spectrum vertoont een sterke, niet verklaarde piek bij een golflengte van 21 micrometer (bij heel nauwkeurige meting blijkt dat 20,1 micrometer).
Van de AGB-objecten is bekend dat ze in de laatste fase van hun leven koolstof, dat ze in hun inwendige gevormd hebben, naar de oppervlakte brengen. De hoeveelheid koolstof kan dan zelfs groter worden dan die van zuurstof. Dat is belangrijk, want koolstof en zuurstof verbinden gemakkelijk tot CO en alleen bij een overmaat aan koolstof kunnen andere koolstofverbindingen ontstaan. Vlak voor hun dood verliezen de AGB-objecten die buitenste lagen in rap tempo aan de omringende ruimte. Er komt dan veel koolstof vrij dat, net als in een walmende kaars, roetdeeltjes vormt. Dat leidt tot verbindingen als amorf koolstof, polycyclische aromatische koolwaterstoffen en siliciumcarbide; dit zijn allemaal verbindingen die verantwoordelijk gedacht worden voor emissieverschijnselen die door astrofysici zijn waargenomen.
In sterren zitten ook, in zeer kleine hoeveelheden, alle andere in de natuur voorkomende atomen uit het periodiek systeem. Die zijn gevormd in de kern van zeer zware sterren, die als supernova explosief hun leven eindigen. Daarbij worden al die atomen over de ruimte uitgezaaid en komen zo terecht in nieuwe sterren en planeten die uit het gas en stof in de ruimte gevormd worden. Verder zweven er dus ook titaanatomen door de ruimte. Nu zijn rond een AGB-object, wanneer het zijn koolstoflagen verliest, de omstandigheden gedurende zeg een eeuw gunstig voor het ontstaan van titaankoolstofverbindingen. Dat die verbindingen zich inderdaad vormen, blijkt uit het feit dat in sommige meteorieten bolletjes van grafiet zijn gevonden, waarvan de kern bestaat uit een titaankoolstofkristal. Dat kristal heeft als kiem gewerkt voor het verder neerslaan van koolstof. Vanwege hun isotopische samenstelling weten astronomen dat die grafietdeeltjes 'puur' sterrenstof zijn, gevormd in de uitgestoten massa van AGB-sterren. De titaankoolstofkernen moeten dus ook daar gevormd zijn. Astronomen konden zich echter niet voorstellen hoe die titaankoolstofkristallen zouden moeten ontstaan; er is immers maar zo weinig titaan in de ruimte.

Groeiproces gevonden
De metingen met FELIX geven nu antwoord op die vraag. De kubische kristallen vertonen thermionische emissie en zijn dus stabiele clusters. Straling en botsingen met andere deeltjes in de stof- en gaswolk rond een AGB-object leiden niet tot het uiteenvallen van gevormde kristallen, maar doen ze groeien. De sterkte van de emissiepiek in de ISO-spectra komt goed overeen met schattingen van de hoeveelheid kristallen die kunnen ontstaan in de tijd dat de omstandigheden rond een AGB-object daarvoor gunstig zijn. ISO had, in de woorden van de Amsterdamse astronoom Rens Waters die kristalvorming in de interstellaire ruimte bestudeert, al voor een kristalrevolutie in het nieuwe vakgebied van de astromineralogie gezorgd. De experimenten met FELIX openen nu een heel gebied van laboratoriumexperimenten over de rol van kubische kristallen in de kosmos.

Voor nadere informatie kan men contact opnemen met dr. Gert von Helden en Deniz van Heijnsbergen, FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, telefoon (030) 609 69 99 of (06) 29 51 59 757, of prof.dr. Gerard Meijer, telefoon (030) 6096 999 en dr. Xander Tielens, telefoon (050) 363 40 92.
Meer informatie over het onderzoek is te vinden op www.rijnh.nl/n3/n4/f1234.htm