ALMA ontdekt ingrediënt van leven rond jonge zonachtige sterren

ALMA heeft sterren zoals de zon waargenomen die nog in een heel vroeg ontwikkelingsstadium verkeren, en daarbij sporen ontdekt van methylisocyanaat – een chemische bouwsteen van leven. Het is voor het eerst dat dit probiotische molecuul in de omgeving van zonachtige protosterren – de soort waaruit ons zonnestelsel is voortgekomen – is gedetecteerd. De ontdekking kan astronomen helpen begrijpen hoe het leven op aarde is ontstaan.

Twee teams van astronomen hebben de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili ingezet om het prebiotische complexe organische molecuul methylisocyanaat [1] te detecteren in het meervoudige stersysteem IRAS 16293-2422. Het ene team stond onder de gezamenlijke leiding van Rafael Martín-Doménech van het Centro de Astrobiología in Madrid, Spanje, en Víctor M. Rivilla van het INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri in Florence, Italië; het andere onder leiding van Niels Ligterink van de Sterrewacht Leiden en Audrey Coutens van University College London, VK.

‘Dit stersysteem blijft maar cadeautjes geven! Eerst hebben we hier suikers ontdekt, en nu methylisocyanaat. Deze familie van organische moleculen is betrokken bij de synthese van peptiden en aminozuren, die – in de vorm van eiwitten – aan de basis staan van leven zoals wij dat kennen,’ leggen Niels Ligterink en Audrey Coutens uit [2]. ALMA’s detectievermogen stelde beide teams in staat om het molecuul op een aantal verschillende en karakteristieke golflengten in het radiospectrum op te sporen [3]. Ze ontdekten de unieke chemische vingerafdrukken in de warme, dichte binnengebieden van de cocons van stof en gas rond sterren die in hun vroegste evolutiestadia verkeren. Beide teams merkten daarbij de signaturen van het complexe organische molecuul methylisocyanaat op [4]. Daarop hebben zij met behulp van chemische modelberekeningen en laboratoriumexperimenten onze kennis over de oorsprong van dit molecuul verfijnd [5]. IRAS 16293-2422 is een meervoudig systeem van zeer jonge sterren op ongeveer 400 lichtjaar van de aarde, dat deel uitmaakt van het grote stervormingsgebied Rho Ophiuchi in het sterrenbeeld Ophiuchus (Slangendrager). De nieuwe ALMA-resultaten laten zien dat elk van deze jonge sterren is gehuld in methylisocyanaat-gas. De aarde en de overige planeten van ons zonnestelsel zijn ontstaan uit materiaal dat overbleef na de vorming van de zon. Het onderzoek van zonachtige protosterren kan astronomen dus inzicht geven in de omstandigheden die 4,5 miljard jaar geleden tot de vorming van ons zonnestelsel hebben geleid.

Rafael Martín-Doménech en Víctor M. Rivilla, hoofdauteurs van een van de onderzoeksartikelen, merken op: ‘We zijn heel enthousiast over dit resultaat, omdat deze protosterren sterke overeenkomsten vertonen met de zon in haar jonge jaren, onder omstandigheden die heel geschikt zijn voor de vorming van aarde-achtige planeten. Door prebiotische moleculen op te sporen, is de beantwoording van de vraag hoe het leven op onze planeet is ontstaan misschien weer een stapje dichterbij gekomen.’ Niels Ligterink is opgetogen over de ondersteunende laboratoriumresultaten: ‘We willen de moleculen niet alleen detecteren, maar ook begrijpen hoe ze zijn ontstaan. Onze laboratoriumexperimenten laten zien dat methylisocyanaat inderdaad op ijsdeeltjes kan worden gevormd, onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die in de interstellaire ruimte. Dit impliceert dat dit molecuul – en daarmee ook de aanzet tot peptide-verbindingen – waarschijnlijk rond de meeste jonge zonachtige sterren aanwezig zal zijn.’

Noten

[1] In astrochemische context bestaat een complex organisch molecuul uit zes of meer atomen, waaronder minstens één koolstofatoom. Methylisocyanaat bevat koolstof-, waterstof-, stikstof- en zuurstofatomen, in de chemische configuratie CH3NCO. Deze zeer giftige verbinding was de belangrijkste doodsoorzaak na de tragische industriële giframp in Bhopal in 1984.

[2] Het stersysteem is in 2012 al eens met ALMA onderzocht. Daarbij zijn toen moleculen van de eenvoudige suiker glycolaldehyde ontdekt – een andere bouwsteen van het leven.

[3] Het team onder leiding van Rafael Martín-Doménech gebruikte nieuwe en bestaande gegevens van de protoster die over een groot aantal verschillende golflengten in ALMA’s ontvangerbanden 3, 4 en 6 zijn verkregen. Niels Ligterink en zijn collega’s hebben gebruik gemaakt van gegevens van de ALMA Protostellar Interferometric Line Survey (PILS), die bedoeld is om de chemische complexiteit van IRAS 16293-2422 in kaart te brengen. Daarbij wordt het stersysteem over het volledige golflengtebereik van ALMA’s band 7 in beeld gebracht op schalen die vergelijkbaar zijn met de omvang van ons zonnestelsel.

[4] Om de chemische samenstelling van de protoster te kunnen bepalen, hebben de teams het licht ervan spectrografisch onderzocht. De hoeveelheid methylisocyanaat die ze hebben gedetecteerd – de abundantie – ten opzichte van moleculaire waterstof en andere tracermoleculen is vergelijkbaar met de eerdere detecties rond twee zware protosterren in de massarijke, hete moleculaire kernen van Orion KL en Sagittarius B2 Noord.

[5] Het team van Martín-Doménech heeft chemische modellen gemaakt van de vorming van methylisocyanaat. De waargenomen hoeveelheden van het molecuul kunnen worden verklaard met chemische reacties op het oppervlak van stofdeeltjes in de ruimte, gevolgd door chemische reacties in de gasfase. Daarnaast heeft het team van Ligterink in hun laboratorium in Leiden met behulp van cryogene experimenten onder ultrahoog vacuüm aangetoond dat het molecuul kan worden gevormd bij extreem lage interstellaire temperaturen tot 15 kelvin (–258 °C).