Decennia geleden voorspelden onderzoekers al dat het koolstofmolecuul CH3+ een belangrijke rol speelt in de totstandkoming van een cruciaal ingrediënt voor leven: koolstofhoudende moleculen. Er was alleen één probleem: zoektochten naar kosmisch CH3+ bleven vruchteloos. Maar daar is nu verandering in gekomen…
In het blad Nature kondigen onderzoekers namelijk aan dat ze CH3+ gedetecteerd hebben in een protoplanetaire schijf, gelegen op zo’n 1350 lichtjaar van de aarde. Ze baseren zich op waarnemingen van de uitermate krachtige ruimtetelescoop James Webb. “Deze detectie van CH3+ valideert niet alleen de ongelofelijke gevoeligheid van James Webb, maar bevestigt tevens de reeds vermoede cruciale rol die CH3+ in de interstellaire chemie speelt,” aldus onderzoeker Marie-Aline Martin.
Koolstof en leven
Alle levensvormen op aarde zijn gebaseerd op koolstofverbindingen. Geen wonder dat wetenschappers die onderzoek doen naar de totstandkoming van het leven op aarde en de mogelijkheid van leven op andere planeten bovengemiddeld geïnteresseerd zijn in het ontstaan en voorkomen van koolstofverbindingen in de interstellaire ruimte, waar sterren en planeten het levenslicht zien. De focus ligt daarbij vaak op koolstofhoudende ionen, omdat zij middels reacties met andere kleine moleculen – zelfs bij de lage temperaturen in de interstellaire ruimte – complexere koolstofverbindingen kunnen vormen.
Bijzondere eigenschap
CH3+ is zo’n moleculair ion. En niet zomaar eentje. In de jaren zeventig van de vorige eeuw bombardeerden onderzoekers het reeds tot ‘de hoeksteen van de interstellaire koolstofchemie’. Dat heeft alles te maken met één opmerkelijke eigenschap van CH3+. Zo reageert het ion niet zo gemakkelijk met het meest voorkomende element in het universum: waterstof, maar wel heel gemakkelijk met andere moleculen. En zo weet het de groei van complexere koolstofhoudende moleculen op ongeëvenaarde wijze te initiëren, zo werd gedacht.
Detectie
En zo werd decennia geleden al vermoed dat CH3+ een cruciale rol speelt in het ontstaan van complexe organische moleculen, oftewel de bouwblokken voor leven zoals wij dat kennen. Maar het bleef bij een vermoeden. Want onderzoekers slaagden er maar niet in om CH3+ ook daadwerkelijk te detecteren op plaatsen waar sterren en (potentieel leefbare) planeten het levenslicht zagen. Maar daar is nu dus dankzij James Webb verandering in gekomen.
Protoplanetaire schijf
James Webb detecteerde CH3+ in een protoplanetaire schijf. Dit is een gas- en stofschijf die we rond jonge sterren aantreffen en waaruit na verloop van tijd planeten kunnen voortkomen. De schijf bevindt zich op grote afstand van de aarde, in de bekende Orionnevel. In het hart van de protoplanetaire schijf bevindt zich een jonge ster. Het betreft een rode dwergster met een massa die ongeveer 10 keer kleiner is dan de massa van onze eigen zon.
Mysterie
Met de detectie van CH3+ bevestigen onderzoekers niet alleen dat het ion inderdaad een belangrijke rol speelt in de interstellaire chemie. Ze lijken en passant ook een – eveneens decennia oud – mysterie op te lossen. Dat mysterie werd geboren toen onderzoekers ontdekten dat meteorieten in ons zonnestelsel ervan getuigen dat de protoplanetaire schijf waaruit de aarde en de andere planeten in ons zonnestelsel geboren werden, gebombardeerd is met ultraviolette straling. Die straling moet afkomstig zijn geweest van een zware ster die onze zon oorspronkelijk vergezelde. Dat de protoplanetaire schijf zoveel ultraviolette straling te verduren heeft gekregen, is vreemd. Want van ultraviolette straling wordt aangenomen dat het een vernietigend effect heeft op de totstandkoming van complexe koolstofmoleculen. En toch is er duidelijk bewijs dat de enige planeet waarvan we zeker weten dat deze (op koolstof gebaseerd) leven herbergt, voort is gekomen uit een protoplanetaire schijf die rijkelijk met ultraviolette straling bekogeld werd.
Oplossing
Hoe is dat mogelijk? De onderzoekers denken er uit te zijn. Ook de protoplanetaire schijf waarin nu CH3+ is aangetroffen blijkt namelijk gebombardeerd te worden door ultraviolette straling. Maar waar die straling eerder vooral in verband werd gebracht met vernietiging van complexe koolstofhoudende moleculen, hebben de onderzoekers nu aanwijzingen gevonden dat het een wat genuanceerder verhaal is. Hun studie wijst er namelijk op dat de ultraviolette straling de energie levert die nodig is voor het ontstaan van CH3+. “Dit laat duidelijk zien dat ultraviolette straling de chemie van een protoplanetaire schijf compleet kan veranderen,” aldus onderzoeker Olivier Berné. “Ultraviolette straling kan in feite zelfs een belangrijke rol spelen in de prille chemische stadia van het ontstaan van leven, door de productie van CH3+ op gang te helpen.”
Dat de detectie van het zo cruciaal geachte CH3+ zo lang op zich heeft laten wachten, is goed te verklaren. Veel moleculen in protoplanetaire schijven worden geïdentificeerd met behulp van radiotelescopen. Maar CH3+ is met een radiotelescoop niet te ontwaren. De enige manier om dit molecuul op te sporen, was middels een krachtige infrarood ruimtetelescoop. En laten we daar met James Webb nu sinds een jaartje over beschikken. Toch was de ontdekking van CH3+ geen gelopen race; omdat het signaal dat CH3+ in het infrarood vertoonde nog niet eerder was waargenomen, was het niet zo gemakkelijk om het molecuul met zekerheid te identificeren. Reden voor de astronomen om de hulp in te roepen van andere wetenschappers. En dat bleek een gouden greep, aldus Martin. “Deze ontdekking was alleen mogelijk doordat astronomen, modelleurs en spectroscopisten de krachten bundelden om de unieke kenmerken die James Webb observeerde, te gaan begrijpen.”
