Een internationaal team van wetenschappers heeft met behulp van gegevens van de NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope voor het eerst een molecuul gedetecteerd dat bekend staat als het methylkation (CH3+) en dat zich bevindt in de protoplanetaire schijf rond een jonge ster. Ze hebben deze prestatie geleverd met een interdisciplinaire analyse door deskundigen, waaronder belangrijke input van spectroscopisten uit laboratoria. Deze eenvoudige molecule heeft een unieke eigenschap: het reageert relatief inefficiënt met het meest voorkomende element in ons heelal (waterstof), maar reageert gemakkelijk met andere moleculen en initieert zo de groei van complexere koolstofmoleculen.
De chemie van koolstof is van bijzonder belang voor astronomen omdat al het bekende leven gebaseerd is op koolstof. De vitale rol van CH3+ in de interstellaire koolstofchemie werd voorspeld in de jaren 1970, maar de unieke mogelijkheden van Webb hebben het eindelijk mogelijk gemaakt om het te observeren - in een gebied in de ruimte waar planeten kunnen ontstaan die uiteindelijk leven kunnen herbergen.
Koolstofverbindingen vormen de basis van al het bekende leven en zijn daarom van bijzonder belang voor wetenschappers die proberen te begrijpen hoe het leven zich op aarde heeft ontwikkeld en hoe het zich mogelijk elders in ons heelal zou kunnen ontwikkelen. Daarom is interstellaire organische chemie een fascinerend onderwerp voor astronomen die de plaatsen bestuderen waar nieuwe sterren en planeten ontstaan. Moleculaire ionen die koolstof bevatten zijn vooral belangrijk, omdat ze reageren met andere kleine moleculen om complexere organische verbindingen te vormen, zelfs bij lage interstellaire temperaturen.
Het methylkation (CH3+) is zo'n op koolstof gebaseerd ion. Sinds de jaren 1970 en 1980 wordt CH3+ door wetenschappers van bijzonder belang geacht. Dit komt door een fascinerende eigenschap van CH3+, namelijk dat het reageert met een groot aantal andere moleculen. Dit kleine kation is belangrijk genoeg om de hoeksteen te vormen van de interstellaire organische chemie, maar tot nu toe is het nog nooit gedetecteerd. De unieke eigenschappen van de James Webb ruimtetelescoop maakten deze tot het ideale instrument om naar dit cruciale kation te zoeken - en nu al heeft een groep internationale wetenschappers het voor het eerst met Webb waargenomen. Marie-Aline Martin van de Paris-Saclay Universiteit in Frankrijk, spectroscopist en lid van het wetenschappelijke team, legt uit: "Deze detectie van CH3+ valideert niet alleen de ongelooflijke gevoeligheid van James Webb, maar bevestigt ook het veronderstelde centrale belang van CH3+ in interstellaire chemie."
Foto: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), the PDRs4All ERS Team
Het CH3+-signaal werd gedetecteerd in het ster-protoplanetaire schijf systeem dat bekend staat als d203-506 en zich op ongeveer 1350 lichtjaar afstand in de Orionnevel bevindt. Hoewel de ster in d203-506 een kleine rode dwergster is, met een massa van slechts ongeveer een tiende van die van de zon, wordt het systeem gebombardeerd door sterke ultraviolette straling van nabijgelegen hete, jonge, massieve sterren. Wetenschappers denken dat de meeste planeetvormende protoplanetaire schijven zo'n periode van intense ultraviolette straling doormaken, omdat sterren zich meestal vormen in groepen die vaak massieve, ultravioletproducerende sterren bevatten. Fascinerend genoeg blijkt uit meteorieten dat de protoplanetaire schijf waaruit ons zonnestelsel is ontstaan, ook onderhevig was aan een enorme hoeveelheid ultraviolette straling - afkomstig van een stellaire begeleider van onze zon die al lang geleden is gestorven (massieve sterren branden fel en sterven veel sneller dan minder massieve sterren). De verwarrende factor in dit alles is dat ultraviolette straling lang is beschouwd als puur destructief voor de vorming van complexe organische moleculen - en toch is er duidelijk bewijs dat de enige levensondersteunende planeet die we kennen is ontstaan uit een schijf die er zwaar aan was blootgesteld.
Het team dat dit onderzoek uitvoerde, heeft mogelijk de oplossing voor dit raadsel gevonden. Hun werk voorspelt dat de aanwezigheid van CH3+ in feite samenhangt met ultraviolette straling, die de noodzakelijke energiebron levert voor de vorming van CH3+. Bovendien lijkt de periode van ultraviolette straling die bepaalde schijven ervaren een grote invloed te hebben op hun chemie. Webb-waarnemingen van protoplanetaire schijven die niet onderhevig zijn aan intense ultraviolette straling van een nabije bron laten bijvoorbeeld een grote overvloed aan water zien - in tegenstelling tot d203-506, waar het team helemaal geen water kon ontdekken. De hoofdauteur, Olivier Berné van de Universiteit van Toulouse, Frankrijk, legt uit: "Dit laat duidelijk zien dat ultraviolette straling de chemie van een proto-planetaire schijf volledig kan veranderen. Het zou zelfs een cruciale rol kunnen spelen in de vroege chemische stadia van het ontstaan van leven door te helpen bij de productie van CH3+ - iets dat eerder misschien werd onderschat."
Hoewel onderzoek dat al in de jaren 1970 werd gepubliceerd het belang van CH3+ voorspelde, was het voorheen vrijwel onmogelijk om het te detecteren. Veel moleculen in protoplanetaire schijven worden waargenomen met radiotelescopen. Om dit mogelijk te maken, moeten de moleculen in kwestie echter een zogenaamd 'permanent dipoolmoment' hebben, wat betekent dat de geometrie van het molecuul zodanig is dat de elektrische lading permanent uit balans is, waardoor het molecuul een positief en een negatief 'uiteinde' heeft. CH3+ is symmetrisch en heeft daarom een evenwichtige lading, waardoor het geen permanent dipoolmoment heeft dat nodig is voor waarnemingen met radiotelescopen. Het zou theoretisch mogelijk zijn om spectroscopische lijnen van CH3+ in het infrarood waar te nemen, maar de aardatmosfeer maakt het onmogelijk om deze lijnen vanaf de aarde waar te nemen. Daarom was het nodig om een voldoende gevoelige ruimtetelescoop te gebruiken die signalen in het infrarood kon waarnemen. De instrumenten NIRSpec, onderdeel van de Europese bijdrage aan Webb, en MIRI, waarvan de helft door Europa is bijgedragen, waren perfect voor deze taak. In feite was een CH3+ detectie eerder zo ongrijpbaar geweest dat toen het team het signaal voor het eerst in hun gegevens zag, ze niet zeker wisten hoe ze het moesten identificeren. Opmerkelijk genoeg was het team in staat om hun resultaat binnen vier korte weken te interpreteren, door gebruik te maken van de expertise van een internationaal team met uiteenlopende expertise.
De ontdekking van CH3+ was alleen mogelijk door een samenwerking tussen observationele astronomen, astrochemische modelleurs, theoretici en experimentele spectroscopisten, die de unieke mogelijkheden van JWST in de ruimte combineerden met die van laboratoria op aarde om de samenstelling en evolutie van ons lokale heelal met succes te onderzoeken en te interpreteren. Marie-Aline Martin voegt hieraan toe: "Onze ontdekking was alleen mogelijk doordat astronomen, modelleurs en spectroscopisten in laboratoria hun krachten bundelden om de unieke kenmerken te begrijpen die door James Webb werden waargenomen."
