Geschiedenis van de Melkweg is in stof geschreven

Microscopisch stof wervelt rond in de Melkweg en de lege ruimte tussen de sterrenstelsels. Zonder stof waren zon en aarde er niet geweest, en onderzoekers hebben nu een stofdeeltje gevonden dat veel ouder is dan het zonnestelsel.

Microscopisch stof wervelt rond in de Melkweg en de lege ruimte tussen de sterrenstelsels. Zonder stof waren zon en aarde er niet geweest, en onderzoekers hebben nu een stofdeeltje gevonden dat veel ouder is dan het zonnestelsel.

Shutterstock

Een microscopisch klein stofje vormde zich 7 miljard jaar terug in de buitenste delen van een rode reuzenster. De oude ster was bijna door zijn brandstof heen, en terwijl hij opbrandde, verspreidden stof en gas zich door de ruimte.

Lange tijd zweefde het stofje door de Melkweg en het werd uiteindelijk deel van een gigantische wolk van gas en stof, die instortte en ons zonnestelsel creëerde.

Het stofje eindigde in een meteoor die in 1969 bij Murchison in Australië neerviel, en nu is het opgedoken in een laboratorium in Chicago.

Wetenschappers haalden het oeroude stofje uit een meteoriet die in 1969 insloeg in Australië.

© National Museum of Natural History

Het wemelt in het zonnestelsel van de resten van sterren die miljarden jaren terug opbrandden en stof en gas verspreidden in het sterrenstelsel – maar nu pas is daar een bewijs voor: onderzoekers van het Natural History Field Museum en de universiteit van Chicago hebben het stofje uit de Murchison-meteoriet weten te halen, en in januari 2020 maakten ze bekend dat het ruim 7 miljard jaar oud is.

Het zonnestelsel ontstond circa 4,6 miljard jaar geleden, dus het stofje is een slordige 3 miljard jaar ouder en fungeert daarmee als een soort tijdcapsule van voordat de zon ontstond.

Deze datering baarde opzien omdat het stofje veruit het oudste materiaal is dat de onderzoekers tot nu toe hebben weten te dateren.

Het stofje helpt de geschiedenis van de Melkweg te schrijven – een verhaal over sterren en planeten die zonder het onaanzienlijke stof nooit zouden hebben bestaan.

Ruimtestof ligt in de vensterbank

Als astronomen over stof praten, bedoelen ze niet het stof bij je thuis – en toch ook weer wel. Het kosmische stof ligt ook op je vensterbank, maar de deeltjes zijn kleiner dan zandkorrels en worden in duizendste en miljoenste millimeter gemeten.

Meestal bestaan ze uit de elementen ijzer, zuurstof, silicium, magnesium en koolstof – vergelijkbaar met de ingrediënten van de aardkorst – maar het kunnen ook koolstofroetdeeltjes zijn, zoals van een kaarsvlam afkomen.

Ieder etmaal wordt de aarde getroffen door 43 ton ruimtestof dat afkomstig is van gedoofde sterren.

Alles in de natuur bestaat uit atomen die, net zoals het stof van de Murchison-meteoriet, miljarden jaren terug in de sterren werden gevormd.

Alleen de allerlichtste elementen zijn ontstaan bij de oerknal: de gassen waterstof en helium en een klein beetje lithium.

In het centrum van de sterren konden de lichte elementen echter versmelten tot alsmaar zwaardere atomen, en zo zijn de elementen ontstaan waar de aarde en wijzelf uit bestaan.

Al bestaat eigenlijk alles uit sterrenstof, het is zeer moeilijk om stofjes te vinden die ouder zijn dan de aarde.

Dit komt doordat het binnenste van het zonnestelsel flink werd verhit door de jonge zon, waardoor het stof smolt en van vorm veranderde. Kort na zijn ontstaan was de aarde bedekt door een lavazee, en daarna is door continentale drift en vulkaanuitbarstingen de samenstelling van het bouwmateriaal beïnvloed.

Dus ja, de aarde bestaat uit sterrenstof, maar het meeste is onherkenbaar veranderd.

Babyboom in de oude Melkweg

Kosmisch stof op aarde moeten we zoeken in iets wat recentelijk is aangevoerd, zoals destijds met de Murchison-meteoriet.

De onderzoekers verbrijzelden een deel van de ruimtesteen en analyseerden de inhoud via massaspectroscopie, een methode die de massa van individuele atomen bepaalt.

Kosmische stofdeeltjes zijn groot genoeg om zichtbaar licht tegen te houden. Gezien door een optische telescoop staat het stof daardoor in het licht van de sterren, maar infraroodtelescopen kijken erdoorheen en vangen de warmtestraling ervan op.

©

Kosmisch stof houdt zichtbaar licht tegen

Zichtbaar licht (blauw) wordt geabsorbeerd door stofdeeltjes, waardoor het niet door de stofwolk komt. Infraroodstraling (rood) met een langere golflengte dan zichtbaar licht gaat dwars door de stofwolk. Hete stofdeeltjes zenden zelf infraroodstraling of microgolven met een nog langere golflengte uit.

© Hubble/ESA/NASA

Zichtbaar licht: Optische telescoop kijkt door ondoorzichtige wolk heen

In de Adelaarsnevel, 7000 lichtjaar ver, bevinden zich de wolken van gas en stof die we de Pilaren der Schepping noemen. Op de foto van de optische camera van de Hubbletelescoop is de wolk ondoorzichtig, want het stof blokkeert het licht van de sterren erachter.

© Hubble/ESA/NASA

Infraroodstraling: Infraroodtelescoop ziet de sterren achter de wolk

De infraroodcamera van de Hubbletelescoop kijkt dwars door de stofwolk heen. Hij neemt zowel de verre sterren achter de nevel als de stervorming in de stof- en gaswolk waar, waar jonge sterren zijn gevormd tijdens het instorten van delen van de wolk.

© CfA/NSF/ESO

ALMA-telescoop ziet hoe heet stof planeten vormt

De 66 schotelantennes van de ALMA-telescoop vangen de straling op van het hete stof rond jonge sterren. Op de foto licht het stof op rond de nieuwe, zonachtige ster TW Hydrae, en waar het stof zich tot planeten heeft verzameld, zijn donkere ringen te zien.

Zo isoleerden en dateerden ze een stofkorrel die niet op aarde had kunnen ontstaan. In de ruimte werd dit stofje blootgesteld aan kosmische straling, waardoor een aantal atomen in neonatomen veranderden.

Door de hoeveelheid neon nauwkeurig te meten konden de onderzoekers zien hoe lang het stofje in zijn eentje had rondgezworven.Naast het ruim 7 miljard jaar oude stofje vonden de onderzoekers in de Murchison-meteoriet stofjes die ook afkomstig lijken te zijn van gedoofde sterren, maar die lang niet zo oud zijn.

De meeste hebben er 4,6 tot 4,9 miljard jaar op zitten, dus ze moeten van sterren afkomstig zijn die zijn gedoofd vlak voordat het zonnestelsel ontstond.

Theoretische modellen voor de manier waarop sterren zich ontwikkelen, vertellen dat siliciumcarbide, waar de stofkorrels uit bestaan, vooral wordt gevormd door sterren met een levensduur van ruim 2 miljard jaar.

De sterren die het meeste stof leverden, zijn dus zo’n 7 miljard jaar geleden ontstaan. In die tijd was er kennelijk een babyboom van sterren in ons stelsel gaande.

Het huidige debat onder de astronomen gaat nu juist vaak over de vraag of nieuwe sterren in een constant tempo worden gevormd of dat er nu eens meer en dan weer minder ontstaan; de Murchison-meteoriet geeft dus aan dat er wellicht perioden met een hogere activiteit van sterrenvorming zijn.

43 ton ruimtestof treft de aarde elke dag en zit in het stof bij je thuis.

Kosmisch stof ontstaat niet alleen in de doodskrampen van middelgrote sterren, zoals het geval was bij de stofjes van de meteoriet van Murchison.

De allergrootste sterren sterven als supernova in gigantische explosies, waardoor enorme hoeveelheden stof in de ruimte worden geslingerd.

Daarvoor vonden astronomen van de Deense universiteiten van Aarhus en Kopenhagen in 2014 bewijs, na 2,5 jaar de restanten van de supernova SN 2010jl geobserveerd te hebben.

Met een speciaal instrument dat aan de Very Large Telescope in Chili is gekoppeld, konden ze zien hoe er zich constant stof vormde uit de overblijfselen van de grote ster.

Na de 868 dagen waarin de astronomen de ster bestudeerden, had deze genoeg stof gevormd om 830 keer de aarde te creëren.

Resten van exploderende reuzensterren kunnen ook hun weg vinden naar de aarde. In 2019 vonden Duitse wetenschappers stof van een supernova terwijl ze 20 jaar oude zuidpoolsneeuw analyseerden.

Hierbij ontdekten ze ijzer van een speciaal radioactief type, ijzer-60, dat alleen kan ontstaan in een supernova-explosie. Het zonnestelsel moet dus op zijn route door de Melkweg door een stofwolk van de supernova zijn gegaan.

Stof dempt licht van de Melkweg

Het stof tussen de sterren heeft astronomen hoofdbrekens gekost. Het stof blokkeert namelijk het licht van de sterren, doordat de stofdeeltjes zichtbaar licht absorberen.

Ongeveer net zoals minuscule druppeltjes water in de lucht mist kunnen veroorzaken waardoor we de zon niet meer kunnen zien, vormt kosmisch stof een ondoordringbare nevel in de Melkweg.

Gezien vanaf de aarde zou de Melkweg duizend keer zo fel gloeien als het stof niet zo veel licht blokkeerde.

Tot de jaren 1950 maakten stofwolken het voor astronomen onmogelijk zich een overzicht van de Melkweg te vormen – in die tijd hadden ze daarom geen idee dat we in een roterend spiraalstelsel met meer dan 100 miljard sterren wonen.

Pas toen er veel betere radiotelescopen kwamen, konden de astronomen de Melkweg in kaart brengen, want radiogolven dringen moeiteloos door het stof heen.

Het meeste kosmische stof zit in sterrenstelsels, maar een beetje zweeft rond in de ruimte tussen stelsels.

Het verstoort de metingen van de astronomen wanneer ze proberen om zeer verre objecten te bestuderen.

Licht van verre sterrenstelsels en supernova’s kan weliswaar door zeer dunne stofwolken dringen, maar doordat het onderweg gedimd wordt, is het moeilijker om te bepalen hoe fel het hemellichaam nu eigenlijk oplicht.

En juist de lichtsterkte wordt door de astronomen gebruikt om de afstand tot verre objecten te bepalen en zo onder meer te meten hoe snel het heelal uitdijt, dus de verkenning van het heelal wordt nog steeds bemoeilijkt door het intergalactische stof.

Maar zo erg vinden de astronomen het nu ook weer niet dat het kosmische stof hun werk bemoeilijkt, want zonder dat was er immers niet veel te zien.

Uit theoretische modellen voor de vorming van sterren blijkt zelfs dat een ster als de zon nooit zonder kosmisch stof was ontstaan.

Ook sterren hebben stof nodig

Sterren ontstaan in een gigantische wolk van gas en stof die onder zijn eigen gewicht instort.

Maar naarmate de wolk verder instort, wordt hij heter, want de gasmoleculen komen steeds dichter bij elkaar en botsen vaker.

Terwijl de zwaartekracht de wolk wil samentrekken, zullen de moleculen van het hete gas proberen van elkaar weg te komen en zo de wolk te laten uitzetten.

Op een gegeven moment zou de samentrekking van de wolk volledig stoppen als er geen stof was.

De stofdeeltjes helpen de wolk namelijk om warmte kwijt te raken, want ze zetten de energie om in infrarode straling – warmtestraling – die de wolk uit kan en zich in de ruimte kan verspreiden.

Alleen zo kan de wolk zich verdichten tot protoster, waarbij de druk in het centrum hoog genoeg wordt om waterstof te laten fuseren tot het helium dat de ster aansteekt.

830 aardes zijn te vormen uit stof dat een supernovarest uitzendt in 2,5 jaar.

Voor de vorming van sterren is dus stof nodig, en dat stof komt van dode sterren. Maar het blijft de vraag hoe de allereerste sterren in een heelal zonder stof kunnen zijn ontstaan.

Astronomen vermoeden dat de eerste sterren van het heelal reuzen zijn geweest die veel groter waren dan de zon, en die ook door veel grotere gaswolken zijn gevormd, waarbij de zwaartekracht sterk genoeg was om de druk naar buiten toe van het hete gas te overwinnen.

Telescoop ziet planeten ontstaan

Juist omdat sterren ontstaan in grote gas- en stofwolken waar zichtbaar licht niet in doordringt, is het niet mogelijk om de vorming van een ster met bijbehorende planeten te volgen met een gewone telescoop.

Maar het hete stof zendt ook andere soorten elektromagnetische straling uit met een langere golflengte dan zichtbaar licht – infrarood- en microgolfstraling – en die wordt opgevangen door het internationale observatorium de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

Deze telescoop op 5 kilometer hoogte in de Chileense Atacama-woestijn bestaat uit 66 grote schotelantennes.

Met de ALMA kunnen de astronomen niet alleen dwars door het koude stof van de gaswolk kijken, ze kunnen ook inzoomen op heet stof dat om zeer jonge sterren draait, en rechtstreeks de gaten zien die ontstaan waar stof zich heeft verzameld tot planeten.

De observaties met de ALMA bevestigen de theorieën over de manier waarop planeten ontstaan uit het stof rond een ster.

Nadat planeten en manen zijn gevormd door kosmisch stof, ontstaat er een nieuwe vorm van stof op de hemellichamen. Op de kleinere, die geen atmosfeer hebben, wordt de bodem constant bestookt door kleine meteoren.

Ze verpulveren de rotsgrond en creëren stofdeeltjes die doen denken aan glasscherfjes. De dikke laag zeer fijn stof op de maan kwam ook op die manier tot stand.

Op rotsplaneten met een atmosfeer heeft stof een andere ontstaanswijze. Hier wordt de rotsgrond door de wind geërodeerd, waarbij fijn zand en stof ontstaat.

Dit is het geval op Mars, waar de wind het stof doet opwaaien en het over de planeet verspreidt. Jaarlijks wordt hier 2,9 miljard ton stof uitgewisseld tussen bodem en atmosfeer.

In 2018 ontdekten geologen uit de VS en Canada waar veel stof op Mars vandaan komt. Ze vergeleken metingen van diverse Marsrovers met de metingen die de satelliet Mars Odyssey sinds 2001 naar de aarde stuurt.

Marsstof is over het algemeen rijk aan chloor en zwavel, en de onderzoekers ontdekten nu dat het dezelfde chemische samenstelling heeft als de grote geologische formatie Medusae Fossae, die dicht bij de evenaar van Mars te vinden is.

De formatie is ontstaan door explosieve vulkaanuitbarstingen. Ruim 3 miljard jaar geleden verspreidde vulkanische as zich over een gebied zo groot als half Europa, en sindsdien heeft de wind stofdeeltjes van de vrij zachte afzetting afgesleten.

Nu is er 2 miljoen vierkante kilometer, een vijfde van Europa, over van de Medusae Fossae, die een gemiddelde dikte van 600 meter hebben.

Maanstof tast ons DNA aan

Het stof bemoeilijkt het verkennen – en in de toekomst het bewonen – van de maan en Mars.

Fijn stof dringt overal in door en kan ruimtepakken, machines, instrumenten en zonnecellen aantasten, en vormt bovendien een gezondheidsrisico voor de astronauten die stof aan hun ruimtepak per ongeluk mee naar binnen nemen.

De Apollo-astronauten die op de maan liepen, moesten niesen van het maanstof en hun ogen begonnen ervan te tranen, en in 2018 toonden Amerikaanse wetenschappers aan dat maanstof zelfs het DNA van menselijke cellen kan beschadigen.

Willen mensen zich op de maan en later op Mars vestigen, dan moeten ze voorkomen dat het stof de ruimtecapsules en -stations binnendringt.

De oplossing kan evenwel simpel zijn; zo kunnen astronauten hun pak afspoelen voor ze het uittrekken.

Maar het stof is niet alleen een probleem, het is ook een hulpbron. Op de maan en Mars bevat het veel zuurstof, die eraan te onttrekken valt door er stroom doorheen te leiden.

Door elektrolyse komen de zuurstofatomen vrij uit de mineralen, en zuurstof is belangrijk voor de astronauten en voor het maken van raketbrandstof.

Het stof kan ook worden gebruikt om huizen mee te bouwen voor de kolonisten. Experimenten met het omzetten van maan- of Marsstof in bouwmaterialen met 3D-printers hebben veelbelovende resultaten opgeleverd.

De planeten zijn ontstaan uit stof, en eens verandert onze aardbol weer in stof als de zon geen waterstof meer in zijn kern heeft, opzwelt als een rode reuzenster en de aarde verzwelgt.

Dat duurt nog wel 5 miljard jaar, en tegen die tijd zal de zon veel gas en stof uitstralen. En stofjes die de Melkweg in worden geslingerd, kunnen nieuwe sterren en planeten helpen te vormen.

Net zoals onderzoekers in Chicago een stofje vonden dat 7 miljard jaar terug werd uitgezonden, kunnen wetenschappers van een toekomstige beschaving op een dag stofjes uit het zonnestelsel analyseren en de kosmische geschiedenis ervan schrijven.