Vanuit een jumbojet met een ingebouwde telescoop wordt een stukje hemel afgescand op golflengten van infrarode straling, zoals wanneer een autoradio zoekt naar een radiozender met een bepaalde frequentie.
Drie keer speurde de telescoop SOFIA de lucht af op straling in de golflengte die door het molecuul heliumhydride uitgezonden wordt.
Dit molecuul is samengesteld uit een helium- en een waterstofatoom en vult onze kennis van de kosmische ontwikkeling aan.
In theorie is heliumhydride namelijk de allereerste bouwsteen van het heelal.
Na de oerknal vormde het eenvoudige molecuul waterstofmoleculen, die zich samenpakten tot enorme wolken, waar de eerste sterren en sterrenstelsels uit voortkwamen.
En zo bracht het oermolecuul het proces op gang waarbij de eerste elementen, planeten en al het leven zijn ontstaan. Maar het werd maar niet gevonden, waardoor de heelaltheorieën op losse schroeven kwamen te staan.
Molecuul zit jarenlang verstopt
Al zo’n 95 jaar weten de astronomen waar ze naar zoeken. Bij laboratoriumproeven bleek in 1925 dat het edelgas helium, dat normaal nauwelijks reageert met andere atomen, wel reageert op een waterstofkern.
Bij de versmelting ontstaat het stabiele ion heliumhydride (HeH+), dat nu net het eerste molecuul van het heelal zou kunnen zijn.
Sinds eind jaren 1970 is ook bekend waar we naar het molecuul moeten zoeken: in de sterrennevel NGC 7027.
Alle chemie in de ruimte begon met het simpele molecuul heliumhydride, dat astronomen nu voor het eerst hebben gevonden in een sterrennevel die lijkt op het hete, jonge heelal.
Die bevindt zich op slechts 3000 lichtjaar van de aarde vandaan, rond een witte dwergster die fel, warm licht geeft. Ooit leek deze ster op de zon, maar hij zwol op tot een rode reuzenster.
En 600 jaar geleden vervlogen zijn buitenste lagen, waarna er een witte dwerg overbleef, met een heel dichte gaswolk eromheen.
Met zijn energierijke straling en temperatuur van 4000 °C geeft de wolk de situatie in het jonge heelal weer, toen het molecuul ontstond.
Ondanks herhaaldelijke proeven is het molecuul echter niet in de sterrennevel gevonden.
De ruimtetelescopen Infrared Space Observatory en Spitzer hebben allebei naar heliumhydride gezocht, maar vergeefs, want zijn golflengte van 149,137 micrometer ligt vlak bij de golflengte van een molecuul van koolstof en waterstof in de sterrennevel. Maar nu is dan toch het bewijs gevonden.
SOFIA vindt onomstotelijk bewijs
De waarnemingen zijn gedaan vanuit een Boeing 747, die achteraan versterkt is, zodat de romp niet breekt als de astronomen op 13.700 meter hoogte een 4 vierkante meter grote schuifdeur openen.
Van daaruit heeft de 2,5 meter grote telescoop Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, SOFIA, zicht op de infrarode warmtestraling.
Die is vanaf de aarde niet te zien, want waterdamp in de atmosfeer absorbeert de straling.
SOFIA’s spectrometer kan de golflengte van heliumhydride (149,137 micrometer) duidelijk vinden. Eerdere metingen werden verstoord door een ander molecuul met een golflengte van 149,09 micrometer.
Vliegende telescoop spot ladingen oermoleculen
De telescoop SOFIA is ingebouwd in een jumbojet en gaat zoeken naar het eerste molecuul van het heelal, heliumhydride. Het molecuul zendt infrarode warmtestraling uit, die niet te zien is vanaf de aarde doordat waterdamp in de atmosfeer de straling absorbeert. Maar de telescoop bevindt zich op 12 à 14 kilometer, boven 99 procent van de waterdamp, en heeft daardoor bijna het zicht van een ruimtetelescoop.
Bovendien wordt de 2,5 meter grote telescoop continu bijgewerkt, zoals in 2015 met een nieuwe spectrometer, die scherp kan stellen op een extreem specifieke golflengte. Zo kan SOFIA de straling van heliumhydride in sterrennevel NGC 7027 absorberen, waar per kubieke meter 3000 van de moleculen zijn gevonden.
SOFIA is al jaren in de lucht, maar pas in 2016 slaagde de missie. SOFIA had toen een nieuwe Duitse spectrometer bij zich met een ultrahoge resolutie die infrarode golflengten vlak bij elkaar kan onderscheiden.
Met de precisie van de spectrometer ving SOFIA een duidelijk signaal van heliumhydride in de sterrennevel NGC 7027 op.
Deze doorbraak is inmiddels bevestigd door nog twee vluchten, die de totale observatietijd van de sterrennevel op 71 minuten hebben gebracht.
Het bewijs dat het molecuul bestaat is meteen een onderbouwing van de theorie van de astronomen dat helium en waterstof de eerste chemische binding tussen twee atomen tot stand brachten door elektronen te delen – een zogeheten covalente binding.
‘Eindelijk kunnen we de twijfel over de wijze waarop het eerste molecuul ontstaan is en chemische reacties in het prille heelal op gang bracht, wegnemen,’ zei Rolf Güsten, onderzoeker van het Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, in 2019 na de bekendmaking van de resultaten.
VIDEO: SOFIA ontdekt eerste molecuul van het heelal
Credits: NASA/Ames Research Center
Oermolecuul baart waterstofwolk
De volgende stap was dat heliumhydride samen met vrije waterstofkernen waterstofmoleculen (H2) en neutrale heliumatomen ging produceren.
Dat maakte de weg vrij voor de 200 miljard sterrenstelsels en voor de biljarden sterren in het heelal.
De waterstofmoleculen vormden wolken die circa 200 miljoen jaar na de oerknal zijn ingestort en zo de allereerste dwergstelsels hebben voortgebracht.
Die stelsels bevatten reuzensterren, die kort leefden en eindigden in gigantische supernova-explosies, waarbij hun massa grotendeels is vervlogen.
Het eerste molecuul was verloskundige van de sterren
De eerste neutrale atomen ontstaan
Als het jonge heelal afkoelt, komen de eerste elementen uit hun plasmavorm. Helium vormt de eerste neutrale atomen, want zijn twee positieve protonen hebben de energie om twee negatieve elektronen vast te houden. Waterstofkernen kunnen nog geen elektronen vangen en neutrale waterstofatomen vormen.
Helium bindt waterstof in eerste molecuul
Een heliumatoom trekt een waterstofkern aan en bindt deze aan zich door zijn ene elektron te delen. Het resultaat is het eerste molecuul in het heelal, een heliumhydride-ion. De verbinding vergroot de energie ervan, waardoor het een lichtdeeltje (foton) uitzendt om zijn laagste energieniveau te bereiken, dat het molecuul altijd opzoekt.
Ionen zwengelen waterstofwolken aan
Een foton uit de nevel botst op een heliumhydride-ion, dat nu zo energierijk is dat het nog een waterstofkern kan invangen. Het ion splitst zich in een heliumatoom en een positief geladen waterstofmolecuul, dat met behulp van twee elektronen neutraal wordt. 200 miljoen jaar later storten grote wolken waterstofmoleculen in en brengen ze de eerste sterren en stelsels voort.
Naast waterstof, helium en lithium, die gevormd zijn bij de oerknal, zijn alle elementen tot en met uranium ontstaan in sterren en na het doven van de sterren in nevels geslingerd.
De elementen reageerden met elkaar en vormden voorstadia van methanol, suiker en andere biologische moleculen.
De grote bouwstenen van het menselijk lichaam, zoals zuurstof, koolstof, stikstof, calcium en fosfor, stammen ook uit sterrennevels.
SOFIA’s spectrometer wordt tot bijna het absolute nulpunt gekoeld om metingen te kunnen doen. Het instrument heet GREAT: German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies.
En zonder het oermolecuul waren de sterren en planeten of planten en dieren niet ontstaan.
Met de vondst van het molecuul is een hiaat in de theorieën over de eerste fasen in de ontwikkeling van het heelal opgevuld.
De volgende stap is het molecuul in actie zien in verre, nog oudere sterrennevels.