Warme waterdamp bij rode reus

De belangrijkste bouwstenen van het leven op Aarde zijn water en koolstofmolecules. Beide types moleculen worden in grote hoeveelheden gevormd door sterren van het type van onze zon wanneer die aan het einde van hun leven komen. Op het einde van hun bestaan worden dergelijke sterren rode reuzen en stoten ze hun atmosfeer uit. Vroeger werden in dergelijke atmosferen ofwel watermoleculen ofwel koolstofmoleculen gevonden, en ging men ervan uit dat beide typen niet samen voorkwamen. Nieuwe resultaten, afkomstig van de PACS en SPIRE spectrometers aan boord van het in mei 2009 gelanceerde Ruimteobservatorium Herschel, hebben dit algemeen aanvaarde idee onderuit gehaald. Er werden namelijk grote hoeveelheden waterdamp gevonden in de atmosfeer van een uiterst koolstofrijke rode reus.

Rode reus 

CW Leonis is een rode reus in het sterrenbeeld Leo. De massa van deze ster bedraagt enkele keren die van de zon, maar zij is zodanig uitgezet dat ze honderden keren groter is. Als zij de plaats van de zon zou innemen, zou ze tot voorbij de baan van Mars reiken. In het zichtbare spectrum is CW Leonis nauwelijks te detecteren, zelfs niet met de grootste telescopen. Maar in het infrarood, met golflengtes tien keer langer dan zichtbaar licht, is dit de helderste ster aan de hemel. Dat de ster zo weinig zichtbaar licht uitstraalt en zoveel infrarood licht, komt door de enorme hoeveelheid stofdeeltjes die haar omringen: die absorberen bijna al het zichtbare licht en stralen zelf infrarood licht uit.

CW Leonis staat bekend als een ‘koolstofster’, en het is de koolstofster die het dichtste bij de aarde staat, op een afstand van zo’n 500 lichtjaren. Kernfusiereacties diep binnenin de ster zetten helium om naar koolstof, dat voor een aanzienlijk deel in de buitenste lagen van de atmosfeer van de ster is terechtgekomen. De ster zendt ongeveer tienduizend keer meer energie uit dan de zon, en haar buitenste lagen worden naar buiten uitgestoten in de vorm van een ‘sterrenwind’ – het equivalent van de zonnewind, maar veel sterker: er wordt een biljoen keer meer materie per uur uitgestoten. In deze wind hebben astronomen in grote hoeveelheden verschillende koolstofmolecules en stofdeeltjes gevonden. CW Leonis zal binnenkort haar levensloop beëindigen als een witte dwerg omgeven door een planetennevel: een wolk van gas en stof, afkomstig van materiaal dat zich nu in de atmosfeer van de ster bevindt.

Water

Aangezien die atmosfeer zo rijk is aan koolstof, zou zowat alle zuurstof gebonden moeten zijn in koolstofmonoxide (CO), wat betekent dat er geen water aanwezig kan zijn. Maar in 2001 werd straling waargenomen afkomstig van CW Leonis bij een golflengte die wijst op de aanwezigheid van waterdamp. Deze waarneming kwam van de Submillimeter Wave Astronomy Satellite (SWAS). Als mogelijke oorsprong van dat water werd toen verondersteld dat de sterrenwind watermoleculen verdampte uit een wolk van ijskometen rondom de ster.

Nu heeft Herschel echter duidelijke sporen van water gevonden bij veel meer golflengten, en met deze waarnemingen kan de temperatuur van het water worden afgeleid. Men vindt temperaturen tot 1000 graden, wat betekent dat de waterdamp aanwezig is over de hele sterrenwind, tot helemaal dicht bij het oppervlak van de ster zelf. Dit kan niet worden verklaard met een model van een sterrenwind in interactie met een afgelegen ijskomeet. Tot nu toe onbekende chemische processen moeten aan de basis liggen van de productie van waterdamp. Ultraviolette straling kan zo’n processen in gang zetten: ultraviolet licht kan koolstofmonoxide afbreken en zuurstofatomen vrijgeven, die met waterstof kunnen reageren en watermoleculen vormen.

Bijna leeg 

De enige mogelijke bron van ultraviolet licht is de interstellaire ruimte, maar normaal gezien zou die straling worden afgeblokt door het materiaal dat door de ster wordt uitgestoten in de sterrenwind. Waarnemingen hadden al aangetoond dat de sterrenwind niet homogeen is maar uit `klonters’ bestaat. De nieuwe waarnemingen van Herschel, die worden gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature (Decin et al. 2010, Nature 467, p. 64-68), laten vermoeden dat bepaalde gebieden rondom de ster bijna leeg zijn. Via die lege zones kan ultraviolet licht doordringen tot de diepste lagen van de steratmosfeer en chemische reacties in gang zetten die water produceren.

Harde ultravioletstraling van onze zon wordt geabsorbeerd door de atmosfeer van de aarde, wat het leven op aarde beschermt tegen stralingsschade. Die beschermende atmosfeer was echter nog niet aanwezig rond de primitieve aarde. Mogelijk heeft ultraviolet licht een cruciale rol gespeeld bij prebiotische chemische processen die geleid hebben tot het ontstaan van de bouwstenen van het leven. De nieuwe Herschel-resultaten tonen aan dat gelijkaardige processen ook gebeuren rond rode reuzen, en materiaal leveren voor nieuwe generaties sterren en planeten.

Aan PACS heeft een aanzienlijke groep specialisten van de K.U.Leuven en IMEC gewerkt, vooral aan de software. IMEC ontwikkelde ook een aantal technische modulen. Leuvense deskundigen verzorgen nu ook de kalibratie van de instrumenten.

Bij de foto: De rode reus CW Leonis, gezien door de PACS en SPIRE camera’s aan boord van het ruimteobservatorium Herschel. De ster zelf is te helder voor gedetailleerde observaties, maar ze stoot materiaal uit via een sterrenwind, dat voor een deel zichtbaar wordt als een `bow shock’, i.e. de onvolledige boog links van de ster in deze figuur. De `bow shock’ ontstaat waar de sterrenwind tegen de interstellaire materie aanbotst. Waarnemingen met de PACS en SPIRE spectrometers wijzen uit dat waterdamp wordt gevormd dicht bij het oppervlak van de ster – terwijl men altijd dacht dat dat onmogelijk was. De sterrenwind is wellicht veel minder homogeen dan vroeger verondersteld werd, met gebieden waar de wind veel minder sterk is. Zo kan ultraviolet licht uit de interstellaire ruimte binnendringen tot in de diepere, warmere gebieden van de steratmosfeer en de vorming van water in gang zetten.