Waterstofijs verklaring raadselachtige IR-gloed en donkere materie?

Share Button

Waterstofijs is vrijwel onzichtbaar met radiotelescopen. Een ideale kandidaat voor donkere materie dus, zou je zeggen. Tot voor kort werd door astronomen aangenomen dat waterstofijs niet de donkere materie kan verklaren, omdat waterstofijs zelfs bij de zeer lage temperaturen in de interstellaire ruimte sublimeert (van vaste stof in gasvorm overgaat). Nu zijn ze daar niet meer zo zeker van: bepaalde onzuiverheden kunnen de atomen voldoende stabiel bij elkaar houden. Hebben we eindelijk de dader te pakken?

Vast waterstofijs is doorzichtig

H6+ ziet er ongever zo uit: als een gedraaide kluif van zes waterstofatomen, waaraan een elektron ontbreekt.

H6+ ziet er ongever zo uit: als een gedraaide kluif van zes waterstofatomen, waaraan een elektron ontbreekt.

Vaste waterstof is naar aardse begrippen een opmerkelijke stof. Het weegt bijvoorbeeld per liter slechts vijftig gram. Bij zeer hoge druk krijgt het metaaleigenschappen, de reden voor het extreem sterke magneetveld van de gasreus Jupiter. Vaste waterstof is in principe een kandidaat om donkere materie te verklaren. Astronomen weten al lang dat een groot deel van het heelal is gevuld met diffuse waterstof. In feite, kunnen ze geïoniseerd waterstofgas zien door de elektromagnetische golven dat het afgeeft.

In de jaren zestig suggereerden sommige astronomen dat het interstellaire medium ook zou kunnen zijn gevuld met vast waterstofijs. Diverse anderen wezen er later op dat dit onwaarschijnlijk was, omdat het ijs zou moeten sublimeren, zelfs in de extreme kou van de interstellaire ruimte. Kort geleden hebben sterrenkundigen toch dit idee heroverwogen en steeds meer wetenschappers beginnen te geloven in waterstofijs. Dat komt omdat chemici hebben ontdekt dat waterstofijs stabieler is als dit verontreinigingen bevat. De extra ionen in het rooster helpen om H2 ijs te stabiliseren.

Dat roept een interessante vraag op. Waterstofijs is min of meer doorzichtig op optische frequenties. Dus hoe kunnen we het detecteren in de ruimte?

‘H6+-ionen verklaren mysterieuze straling’
Ching Lin Yeh aan de Australian National University in Canberra en een paar collega’s doen een interessante suggestie. Ze zeggen dat wanneer fotonen waterstofijs treffen, ze geïoniseerd waterstof creëren en met name clusters van H6+ in het leven roepen. Dit complexe ioncluster van zes protonen en vijf elektronen wordt niet in waterstofgas gevormd, zodat de aanwezigheid ervan is een goede marker is voor waterstofijs. Bestaat H6+, dan bestaat er waterstofijs.

Het probleem is dat niemand weet hoe H6+ zich gedraagt – dit onderzoek is nog niet uitgevoerd in het lab. Dus Ching Lin Yeh en de zijnen hebben, uitgaande van de kwantummechanische beschrijving van het hypothetische H6+-ion, de vibrationele overgangen van het ion berekend. Hun conclusie is dat H6+ (en haar gedeutereerde neefje (HD)3+) verschillende infraroodemissies moet produceren.

Vervolgens vergelijken ze hun voorspellingen met daadwerkelijk door astronomen waargenomen frequenties. Het blijkt dat de interstellaire ruimte flauw gloeit: een complex mengsel van frequenties. Deze emissies zijn de zogenaamde diffuse interstellaire banden of DIBs en hun herkomst is al lang een raadsel voor astronomen. Ching Lin Yeh en zijn medeauteurs stellen dat de voorspelde emissies van H6+ nauw overeenkomen met die astronomen kunnen zien. “Wij concluderen dat het goed mogelijk is dat vaste H2 overvloedig aanwezig is in het interstellaire medium,” zeggen ze.

Eenvoudige verklaring: geen exotische chemische stoffen nodig
Dit is uiterst interessant. Waterstof moet een belangrijk onderdeel zijn van het interstellaire medium, maar astronomen weten dat gasvormige waterstof niet de waargenomen straling kan produceren. De in het nauw gedreven astronomen probeerden de straling te verklaren met behulp van allerlei soorten meer complexe moleculen, zelfs grote organische moleculen, zoals aminozuren en polycyclische aromatische koolwaterstoffen, de bouwstenen van het leven.

Er zijn duidelijke aanwijzingen dat deze moleculen aanwezig zijn in sommige dichte wolken (geproduceerd door supernova’s), maar het gaat uiterst ver, te beweren dat ze zijn verspreid over het hele interstellaire ruimte. Dat zou namelijk betekenen dat er tijdens of vlak na de Big Bang enorme hoeveelheden van deze stoffen zijn geproduceerd – wat in strijd is met zo ongeveer alle serieuze kosmologische modellen. Theoretisch gesproken is H6+ dus een godsend. Iemand moet H6+ van massief waterstof maken en nauwkeurig het stralingsgedrag in deep space meten. Lukt dat, dan zou dat een aantal theoretici van een uiterst vervelend probleem afhelpen. Geen gemakkelijke experiment, dat is zeker, maar beslist mogelijk met de huidige technologie.

Als donkere materie inderdaad uit vast waterstofijs bestaat, worden Bussard ramjets een aantrekkelijke keus voor interstellaire rumtereizen.

Als donkere materie inderdaad uit vast waterstofijs bestaat, worden Bussard ramjets een aantrekkelijke keus voor interstellaire ruimtereizen.

Gevolgen van grote hoeveelheden vast waterstofijs in de ruimte
Reizen met snelheden in de buurt van het licht worden aan de ene kant erg lastig, omdat brokjes botsende materie bij relativistische snelheden even explosief is als antimaterie. Zelfs een klein brokje waterstofijs heeft dan al verwoestende effecten.

Wellicht kan een ramjetdesign, zoals van Bussard, hierbij helpen. Het magnetische schepveld kan dan de geladen ijsdeeltjes invangen en laten fuseren, waardoor toch het sterrenschip wordt beschermd en tegelijkertijd brandstof uit het interstellaire medium wordt geschept.

Aan de andere kant zou dit materiaal als hulpbron kunnen worden ingezet met (naar moderne begrippen) haalbare technologie. Je kan je voorstellen dat enorme hoeveelheden vast waterstofijs worden samengebracht als brandstof voor  kernfusiecentrales of om nieuwe sterren mee te scheppen.

Bron:
Ching Lin Yeh et al., Interstellar Solid Hydrogen, arxiv.org

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

2 reacties

  1. Picobyte schreef:

    Ik heb mij altijd al afgevraagd of een enkele molecuul niet als vaste stof kan worden aangemerkt ondanks dat er geen kristalrooster is met andere moleculen,Water(stof)zou best dus weleens dergelijke eigenschappen kunnen vertonen.
    Stel je voor dat lichte atoomkernen minder afstoting geven tot naburige kernen in een vacuüm en wel voldoende aantrekking per m3 hebben naar hun buren om een zeer ‘luchtig’ maw leeg en zwakke interactie te ondergaan met naburige waterstof waardoor het kristalrooster wel gevormd wordt maar dermate ijl is dat wij het niet waarnemen als een vaste stof.
    Een ijsblokje dus dat zo groot als het IJsselmeer is met slechts de massa van een duizendste gram.

  2. adenis schreef:

    hebben de voyagers geen intrumenten bij zich die kunnen meten welke moleculen zich in hun omgeving bevinden? dan zou dit probleem binnen 10 jaar opgelost kunnen zijn.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *

Advertisment ad adsense adlogger