What do complex molecules tell us about star formation?
How do you progress from an immense gas cloud somewhere in the universe to a star with planets? Research by Astronomy PhD student Martijn van Gelder sheds more light on the earliest phases of this process. He will receive his doctorate on November 24th.
Hoe is ons zonnestelsel ooit ontstaan? ‘We kunnen niet terugkijken in de tijd, maar we kunnen wel gebieden in het universum bestuderen waar zich nu sterren vormen,’ zegt Van Gelder. ‘Op die manier kunnen we ook meer te weten komen over onze eigen herkomst.’
Geboorte van een ster
Sterren bestaan niet voor de eeuwigheid, al gaan ze miljarden jaren mee. ‘We zien een continue cyclus van sterren die doodgaan en nieuwe sterren die geboren worden,’ zegt Van Gelder.
Hij richt zich op de vroegste stadia van stervorming. ‘Stel je een gaswolk voor van enkele lichtjaren groot die onder zijn eigen zwaartekracht ineen begint te storten,’ schetst hij. ‘Na een tijdje vormt zich in het midden een protoster, oftewel een ongeboren ster. Daaromheen ontstaat een planeetvormende schijf: een soort donut van materiaal waaruit later alle planeten ontstaan.’
Zeer koude gaswolk
Van Gelder is vooral geïnteresseerd in de eerste half tot één miljoen jaar, als de protoster en schijf net vorm krijgen. De gaswolk waaruit ze ontstaan is heel koud, zo’n 10 graden Kelvin (-263 ⁰C), en bestaat net als de rest van het heelal voor een groot deel uit waterstof (H2). ‘Verder zie je in de gaswolk veel simpele moleculen zoals koolstofmonoxide en ammoniak,’ licht Van Gelder toe. ‘Bij zulke lage temperaturen reageren de aanwezige stoffen nauwelijks met elkaar, en ontstaan er dus niet snel nieuwe, grotere moleculen. Maar er zweven in de gaswolk ook kleine stofkorreltjes rond van een paar honderd nanometer groot. Die werken als katalysator: moleculen kunnen erop landen, elkaar vinden en met elkaar reageren. Dankzij deze stofkorrels kunnen er ondanks de kou toch complexere organische moleculen ontstaan, zoals methanol en ethanol.’
Rising temperatures
Van Gelder wanted to know whether the disc around the protostar receives its complex organic molecules directly from the gas cloud, or whether they are transformed during the collapse of the cloud. 'In the gas cloud, the molecules are hidden in the ice layers around the dust grains, which makes it difficult for us to observe them,' Van Gelder continues. ‘But during the collapse of the gas cloud, the temperature rises. Then the molecules come off the dust grains, which enables us to see them.'
Always the same ratio
Van Gelder looked at the proportions in which the various complex molecules occur, and did this for several protostars. ‘We found that these ratios are almost exactly the same for all protostars,’ he says. 'It doesn't matter under what conditions a protostar forms, how much UV radiation was present or how the temperature exactly varied: we always find the same ratios of complex molecules. This indicates that those molecules do indeed transfer unchanged from the gas cloud to the planet-forming disc. The differences in molecular composition that we measure in planets, apparently only arise later in the process of star formation.'
James Webb space telescope
For his PhD research, Van Gelder used measurements from the ALMA telescope in Chile, which shows the sky in very high resolution. 'As a postdoc in Leiden I will continue working on the same research questions, but now with data from the James Webb space telescope,' says Van Gelder. 'These data allow us to look at the molecules inside the ice layers around dust particles. This way we will hopefully learn even more about our own amazing origins.'
Figure credits: NASA/JPL-Caltech, R. Hurt
Text: Diana de Veld