‘Het was een grote verrassing om ijzer- en nikkelatomen te detecteren in de atmosferen van alle ongeveer twintig kometen die we de afgelopen twee decennia hebben waargenomen, zelfs bij kometen in de koude ruimte ver van de zon’, zegt Jean Manfroid van de Universiteit van Luik, die leiding gaf aan het nieuwe onderzoek van kometen in ons zonnestelsel, waarvan de resultaten vandaag in Nature zijn gepubliceerd.
Astronomen weten dat er in het stoffige en rotsachtige inwendige van kometen zware metalen voorkomen. Maar omdat vaste metalen gewoonlijk niet ‘sublimeren’ (gasvormig worden) bij lage temperaturen, verwachtten ze niet dat ze ze zouden aantreffen in de atmosferen van koude kometen die zich ver van de zon wagen. Nikkel- en ijzerdampen zijn nu zelfs gedetecteerd bij kometen die op meer dan 480 miljoen kilometer van de zon – meer dan drie keer de afstand aarde-zon – zijn waargenomen. Het Belgische team heeft ontdekt dat komeet-atmosferen ongeveer gelijke hoeveelheden ijzer en nikkel bevatten. Doorgaans bevat materiaal in ons zonnestelsel, bijvoorbeeld dat in de zon en in meteorieten, ongeveer tien keer zoveel ijzer als nikkel. Dit nieuwe resultaat heeft daarom gevolgen voor ons begrip van het vroege zonnestelsel, al weet het team nog niet precies wat de implicaties ervan zijn.
‘Kometen zijn ongeveer 4,6 miljard jaar geleden gevormd in het zeer jonge zonnestelsel, en zijn sinds die tijd niet veranderd. In zekere zin zijn het astronomische fossielen’, zegt medeauteur Emmanuel Jehin, eveneens van de Universiteit van Luik. Hoewel het Belgische team deze ‘fossiele’ objecten al bijna twintig jaar onderzoekt met ESO’s VLT, hadden ze de aanwezigheid van nikkel en ijzer in hun atmosferen tot nu toe niet opgemerkt. ‘Deze ontdekking is jarenlang aan onze aandacht ontsnapt’, aldus Jehin. Het team maakte gebruik van gegevens van het Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph (UVES)-instrument van ESO’s VLT. Daarbij zijn, met behulp van een techniek die spectroscopie wordt genoemd, de atmosferen van kometen op verschillende afstanden van de zon onderzocht. Met deze techniek kunnen astronomen de chemische samenstelling van kosmische objecten analyseren: elk chemisch element laat een unieke vingerafdruk achter – een reeks lijnen – in het lichtspectrum van deze objecten.
Het Belgische team ontdekte zwakke, niet-geïdentificeerde spectraallijnen in hun UVES-gegevens, die bij nader inzien aan neutrale atomen van ijzer en nikkel konden worden toegeschreven. Een van de redenen waarom de zware elementen moeilijk aantoonbaar waren, is dat ze in zeer kleine hoeveelheden voorkomen. Het team schat dat er voor elke honderd kilogram water in de atmosfeer van een komeet slechts ongeveer één gram ijzer en ruwweg evenveel nikkel aanwezig is. ‘Gewoonlijk is er tien keer meer ijzer dan nikkel, maar in deze komeet-atmosferen troffen we beide elementen in ongeveer gelijke hoeveelheden aan. Daaruit leiden we af dat deze elementen wellicht afkomstig zijn van een speciaal soort materiaal op het oppervlak van de komeetkern, dat bij vrij lage temperatuur sublimeert en ongeveer evenveel ijzer als nikkel afgeeft’, aldus Damien Hutsemékers, die tevens lid is van het Belgische onderzoeksteam van de Universiteit van Luik.
Hoewel het team nog niet zeker weet welk materiaal dit zou kunnen zijn, zullen nieuwe instrumenten, zoals de Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS) van ESO’s toekomstige Extremely Large Telescope (ELT), onderzoekers wellicht in staat stellen om de bron van de ijzer- en nikkelatomen in de atmosferen van deze kometen op te sporen. Het Belgische team hoopt dat hun werk de weg zal banen voor toekomstig onderzoek. ‘Nu zullen mensen in de gearchiveerde gegevens van andere telescopen naar die lijnen gaan zoeken’, zegt Jehin. ‘We denken dat dit de aanzet zal geven tot nieuw onderzoek op dit terrein.’
Interstellaire zware metalen
Een andere opmerkelijk onderzoek waarvan de resultaten vandaag in Nature zijn gepubliceerd, toont aan dat er ook zware metalen voorkomen in de atmosfeer van de interstellaire komeet 2I/Borisov. Toen dit object – de eerste buitenaardse komeet die ons zonnestelsel heeft bezocht – ongeveer anderhalf jaar geleden voorbijkwam, heeft een Pools team het waargenomen met de X-shooter-spectrograaf van ESO’s VLT. Daarbij hebben de astronomen ontdekt dat de koude atmosfeer van 2I/Borisov gasvormige nikkel bevat. ‘Aanvankelijk konden we maar moeilijk geloven dat atomaire nikkel werkelijk op zo’n grote afstand van de zon aanwezig kon zijn in 2I/Borisov. We hebben alles talloze keren moeten controleren voordat we onszelf uiteindelijk konden overtuigen’, zegt onderzoeksauteur Piotr Guzik van de Jagiellonische Universiteit in Krakau, Polen. De ontdekking is verrassend omdat, tot aan de twee onderzoeken die vandaag zijn gepubliceerd, gassen met atomen van zware metalen alleen zijn waargenomen in hete omgevingen, zoals in de atmosferen van ultrahete exoplaneten of verdampende kometen die te dicht bij de zon kwamen. Maar 2I/Borisov werd waargenomen toen hij zich ongeveer 300 miljoen kilometer van de zon bevond – ongeveer tweemaal de afstand aarde-zon.
Het gedetailleerd onderzoeken van interstellaire objecten is cruciaal voor de wetenschap, omdat zij waardevolle informatie bevatten over de verre planetenstelsels waar ze vandaan komen. ‘Plotseling begrepen we dat gasvormige nikkel aanwezig is in komeet-atmosferen in andere delen van het Melkwegstelsel’, zegt co-auteur Michał Drahus, eveneens van de Jagiellonische Universiteit. De Poolse en Belgische onderzoeken tonen aan dat 2I/Borisov en de kometen van ons zonnestelsel nog meer gemeen hebben dan tot nu toe werd gedacht. ‘Stel je eens voor: in andere planetenstelsels komen kometen voor die als twee druppels water op die in ons eigen zonnestelsel lijken – hoe cool is dat?’, concludeert Drahus.
Meer informatie
Deze onderzoeksresultaten zijn te vinden in twee artikelen die in Nature verschijnen.
Het team dat het onderzoek ‘Iron and nickel atoms in cometary atmospheres even far from the Sun’ (https://doi.org/10.1038/s41586-021-03435-0) heeft uitgevoerd, bestaat uit J. Manfroid, D. Hutsemékers &en E. Jehin (STAR Institute, Universiteit van Luik).
Het team dat het onderzoek ‘Gaseous atomic nickel in the coma of interstellar comet 2I/Borisov’ heeft uitgevoerd, bestaat uit Piotr Guzik en Michał Drahus (Sterrenwacht van de Jagiellonische Universiteit, Krakau, Polen).
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en verreweg de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Ierland, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili, met Australië als strategische partner. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT) en haar toonaangevende Very Large Telescope Interferometer, evenals twee surveytelescopen – VISTA, die in het infrarood werkt, en de op zichtbare golflengten opererende VLT Survey Telescope. Ook op Paranal zal ESO onderkomen bieden aan en het beheer voeren over de Cherenkov Telescope Array South, ’s werelds grootste en meest gevoelige observatorium van gammastraling. ESO speelt tevens een belangrijke partnerrol bij twee faciliteiten op Chajnantor, APEX en ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Extremely Large Telescope, de ELT, die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
