Om aan buitenaardse chemie te doen hoef je geen lab op wieltjes naar Mars te sturen. Met aardse telescopen en geavanceerde spectrometrie kun je ook verrassend veel zien gebeuren in het heelal, en misschien zelfs plekjes vinden waar wèl leven mogelijk is. Ewine van Dishoeck, hoogleraar moleculaire astrofysica in Leiden, legt uit hoe dat in zijn werk gaat.
Laten we hier eens kijken.” Ewine van Dishoeck (57) veert op en wijst op een poster in haar werkkamer de donkere plekken in de rode nevel rond Orion aan. “Hier gebeurt het allemaal.” Bevlogen legt de Leidse hoogleraar moleculaire astrofysica uit dat juist in die gebieden nieuwe sterren en planeten ontstaan. De plekken zijn donker doordat de fijne stofdeeltjes in deze wolk veel licht absorberen en verstrooien.
Op 21 juni ontving Van Dishoeck de Prijs Akademiehoogleraren van de KNAW, een lifetime achievement award voor wetenschappers die tot de absolute top van hun vakgebied behoren. Het is onderscheiding nummer tien voor Van Dishoeck, die eerder al prijzen kreeg van vijf Amerikaanse universiteiten, de Royal Society of Chemistry, NWO en de KNCV. Ze is nauw betrokken bij diverse grote internationale projecten en een wereldwijd programma waarin de VS, EU en de Oost-Aziatische landen ongeveer 1 miljard euro investeerden in faciliteiten voor onderzoek in de ruimte. Volgens Thomson Reuters (voorheen de Institute of Science Index, of ISI) was ze in 2008 de meest geciteerde astrofysicus ter wereld. “Ach, toevallig kwam ik op zo’n lijstje terecht. Hoe meet je dat nou echt? Ik ken nog wel een paar andere collega-wetenschappers die evenveel worden geciteerd”, lacht Van Dishoeck. Een bescheidenheid die misschien wel past bij het onderwerp van haar onderzoek, het immer uitdijende heelal, en het besef hoe nietig een mens hierin is.
Moleculaire astrofysica, welke chemie komt daarbij kijken?
“We gebruiken de moleculen als diagnostiek in een bepaald astronomisch gebied. Nevels rondom sterren en planeten zijn een uniek chemisch laboratorium met extreme temperaturen en extreem lage dichtheden. In die prachtige rood-lichtende nevels rond Orion is het bijvoorbeeld 10.000° C. Het daar aanwezige geïoniseerde waterstofgas recombineert samen met een elektron tot atomair waterstof. En daarbij komt licht vrij, de zogenoemde Ballmerlijnen. Die lijnen kunnen wij vanaf de aarde meten met telescopen en spectrometrie.
Ooit was ons zonnestelsel niets meer dan zo’n wolk. Onze ster, de zon en de planeten in ons melkwegstelsel zijn 4,5 miljard jaar geleden ontstaan doordat zo’n wolk is ingestort. Wat wij willen weten, is uit welk materiaal sterren en planeten zoals de aarde zijn opgebouwd. Wij zijn dus vooral geïnteresseerd in die donkere koudere gebieden. Dat zijn wolken van gas en heel fijne deeltjes, bijvoorbeeld silicaten of koolstof met een diameter van 0,1 µm. Juist op die plekken ontstaan sterren en planeten. Door de chemische samenstelling van zo’n wolk in de tijd te volgen probeer ik zo’n stervormingsproces te achterhalen.”
Hoe onderzoek je moleculen op 400 lichtjaren afstand?
“Dat is nog niets, ik heb collega’s die meer dan 10 miljard jaar terug in de tijd en dus in de ruimte kijken. Maar inderdaad, het werkt wel even anders dan een chemisch onderzoek op aarde. In een lab kun je altijd heel precies je experimenten aanpassen, en er een scheutje van het een of ander bij doen. Wij krijgen daarentegen gegevens uit de ruimte binnen en moeten aan de hand daarvan uitvogelen wat er in een gebied gebeurt. Moleculen geven rotatie- en vibratie-energie af. En die meten we, vooral de rotatie-energie. De temperatuur in de wolk ligt namelijk ongeveer 10 graden boven het absolute nulpunt. Dus als je een millimetertelescoop op de wolk richt, zie je opeens allemaal lijnen tevoorschijn komen. Om die zwakke signalen uit de ruimte te meten heb je natuurlijk enorm gevoelige apparatuur nodig. We gebruiken een meettechniek uit de radioinstrumentatie, de zogenoemde Heterodyne techniek, maar dan met supergeleidende ontvangers ontwikkeld in de vaste-stof fysica en de nanotechnologie. Deze is inmiddels zo gevoelig dat de detectoren al bijna de kwantumlimiet halen. We zitten vlak bij de ultieme gevoeligheid die we willen hebben.”
Hoe karakteriseer je exotische chemische verbinding die je in het heelal tegenkomt?
“Soms vind je andere lijnen dan verwacht en dan kun je gaan puzzelen: waar komen die vandaan? Dan klopt een astronoom aan bij een theoretisch chemicus. Die kan voor allerlei gekke verbindingen rotatieconstantes voorspellen. Daarmee kun je een hele hoop opties uitsluiten. En dan ga je naar het lab en vraag je de moleculaire chemici om de opties te synthetiseren die nog over zijn. In de jaren 70 is zo bijvoorbeeld HCO+ geïdentificeerd, een van de belangrijkste verbindingen in het heelal. Astronomen vonden in hun spectra een heel sterke lijn. Uiteindelijk bleek het om geprotoneerd koolmonoxide te gaan. Dat is een heel stabiel molecuul. Maar onder aardse omstandigheden botst het zo vaak dat het direct weer verdwijnt. Het was achteraf eigenlijk helemaal niet vreemd, als je weet dat moleculen in de ruimte maar eens per maand botsen.”
Wat zijn de meest exotische verbindingen?
“Wat ik fascinerend vind is dat je in de ruimte stoffen tegenkomt als HC9N of HC11N. Moleculen die voornamelijk uit koolstof bestaan. En dat terwijl je in de ruimte 10.000 keer meer waterstof dan koolstof hebt. Het was echt een hele speurtocht om de lange moleculen zonder stikstof, dus zonder dipoolmoment, te identificeren. Die verbindingen inspireerden Harry Kroto overigens al in de jaren 80 om uit te zoeken wat er gebeurt als koolstofketens steeds langer worden. Dan gaan ze in elkaar draaien en krijg je uiteindelijk C60, de Buckybal. Zo zie je maar wat er kan gebeuren als je met andere ogen naar de chemie gaat kijken. Ik vind dat altijd een prachtige voorbeeld van wat de astrochemie voor onze aardse chemie kan betekenen.”
Het huidige wetenschaps- en innovatiebeleid lijkt vooral gericht op samenwerking met bedrijven. Hoe kun je het nut van investeren in een fundamentele wetenschap als moleculaire astrofysica hard maken?
“Als ik ergens een kritiek op heb, dan is het dat kortetermijndenken van de politici. Die verwachten dat onderzoek binnen 3 maanden leidt tot een toepassing die geld oplevert. Maar zo gaat het niet. Ontdekkingen komen niet op afroep. Wij ontwikkelen technologie, de meest gevoelige en nauwkeurige detectoren. Begin mei hebben we in London een zeer gevoelig midinfraroodmeetapparaat geleverd aan NASA. Het is een van de gevoeligste apparaten die ooit geleverd zijn in dat golflengtegebied. En we trainen ingenieurs om zeer geavanceerde meetapparatuur te ontwikkelen met extreme precisie. Daardoor kunnen zij op hun beurt over 10 of 20 jaar in andere toepassingen een stap maken die ze anders niet zouden kunnen maken. Een bedrijf als ASML haalt bijvoorbeeld veel ingenieurs uit de ruimtetechnologie binnen. En daarmee heeft het bedrijf kunnen scoren.
Maar misschien nog wel belangrijker is dat wij ons als mensheid de vragen mogen stellen als ‘waar komen wij vandaan’ en ‘is er elders in het heelal leven mogelijk’. Als de mensheid zulke vragen niet mag stellen, wat is onze beschaving dan nog waard? Daar mag je ook best een euro per persoon voor rekenen”, grapt Van Dishoeck.
Koppen als ‘zwart gat verzwelgt ster’, of ‘nieuwe planetoïde ontdekt’, halen vrijwel dagelijks het nieuws. Begrijp je de fascinatie van het brede publiek voor de astronomie?
“Ik denk dat mensen graag willen weten waar we staan in het heelal. Hoe is het heelal ontstaan, de oerknal, hoe is het leven ontstaan? Waar komen wij vandaan, hoe is de aarde gevormd en wat is de toekomst van ons zonnestelsel? Als je op een mooie avond naar de sterrenhemel kijkt, besef je dat wij maar een heel klein stipje zijn in dit grote heelal. Dat plaatst dan toch een hele hoop andere dingen zoals conflicten in deze wereld in een heel ander perspectief. Waarom zijn we daarmee bezig als we in zo’n groot heelal wonen?”
Wat onderzoek je op dit moment?
“Momenteel doe ik onderzoek naar waterdamp in de ruimte. Water in vloeibare vorm is cruciaal voor leven zoals wij dat kennen. We willen weten hoeveel water aanwezig is bij iedere zich vormende planeet. En hoeveel water er op een planeet moet terechtkomen om daar eventueel een vorm van leven te laten ontstaan. We zitten met de aarde precies in de bewoonbare zone, met een druk en temperatuur waarbij water vloeibaar is. Het doel is eigenlijk om een tweelingbroertje van de aarde te identificeren. Ik krijg gegevens van de Herschel-satelliet, die draait op ruim 1 miljoen kilometer afstand van de aarde. Aan boord bevindt zich een speciaal door de Stichting Ruimteonderzoek Nederland gebouwd meetapparaat, Hifi. En ook in het lab simuleren we condities in de ruimte om de vorming van water te onderzoeken. Eerder verzamelden we met een andere satelliet gegevens over de hoeveelheid ruimte-ijs. Zo kunnen we bepalen of en hoeveel water er beschikbaar is voor nieuwe planeten.
Er valt nog veel te onderzoeken. De eerste planeet buiten ons eigen stelsel is pas in 1995 ontdekt. En sindsdien zijn er duizenden nieuwe bijgekomen, waarvan we nu ook de chemische samenstelling zouden willen onderzoeken. De chemische bouwstenen zijn in theorie overal in de wolken aanwezig. En als een nieuwe planeet is afgekoeld, kan de chemie in principe haar werk gaan doen. Op basis van hun massa, twee tot tien keer die van de aarde, zijn er al een aantal potentiële tweelingplaneten geïdentificeerd.”
Wat ga je doen met de KNAW-prijs van 1 miljoen euro?
“Ik heb altijd veel tijd gestoken in grote projecten als Herschel en de Atacama Large Millimeter-Array in Chili, uiteraard samen met veel medewetenschappers. Met de prijs wil ik jonge onderzoekers aanstellen om alle gegevens te gaan verwerken. Ik haal veel plezier uit het werken met jonge mensen. En na meer dan 20 jaar investeren is het tijd om wetenschappelijk te gaan oogsten.”
Corry van Driel, C2W-10, 2012
