Herschel overzichtsartikel onthult reis van water van interstellaire wolken tot leefbare werelden

Hoe en waar water wordt gevormd in de ruimte tussen de sterren en hoe dit water uiteindelijk op een planeet als de aarde terechtkomt, was tot tien jaar geleden niet overtuigend vastgesteld. Dat kwam onder andere doordat waarnemingen met telescopen vanaf de aarde verstoord worden door onze eigen waterrijke atmosfeer. In 2009 lanceerde ESA de ver-infrarode ruimtetelescoop Herschel die onderzoek aan water als een van zijn speerpunten had. Dat gebeurde vooral met het onder leiding van SRON gebouwde HIFI-instrument, ook wel de ‘moleculenjager’ genoemd. Frank Helmich (SRON) en Thijs de Graauw (toen SRON) waren daarvan de twee Principal Investigators. De telescoop deed tot 2013 dienst. In de afgelopen jaren verschenen er tientallen wetenschappelijke artikelen met losse Herschel-resultaten over water. Nu zijn deze resultaten op een rij gezet, gecombineerd en uitgebreid met nieuwe inzichten.

De nieuwe studie beschrijft de levensloop van water van de eerste tot de laatste fase van het stervormingsproces, inclusief de tussenliggende stadia die tot nu toe onderbelicht waren gebleven. Het artikel toont aan dat het merendeel van het water wordt gevormd als ijs op piepkleine stofdeeltjes in de koude en ijle interstellaire wolken. Als die wolk ineenstort tot een voorloper van een ster, blijkt het water vrijwel onaangetast te blijven. Daarna wordt het gros van het water snel verankerd in stofdeeltjes zo groot als kiezelstenen. In de roterende schijf rond de jonge ster vormen die kiezelstenen dan de bouwstenen voor nieuwe planeten.

Verder hebben de onderzoekers uitgerekend dat vrijwel alle nieuwe planetenstelsels worden geboren met voldoende water om een paar duizend oceanen te vullen. Ewine van Dishoeck: ‘Het is fascinerend om je te realiseren dat als je een glas water drinkt, het merendeel van die moleculen al meer dan 4,5 miljard jaar geleden zijn gemaakt in de wolk waaruit onze zon en de planeten ontstonden.’

Veel van de eerdere Herschel-resultaten gingen over de warme waterdamp die bij vormende sterren prominent aanwezig is en in grote hoeveelheden wordt geproduceerd. Maar dat water wordt door de straalstroom van de jonge ster de ruimte in ‘gespoten’ en gaat verloren. Bij het schrijven van het overzicht kregen de onderzoekers steeds meer inzicht in de chemie van het koude water en het ijs. Zo konden ze onder andere aantonen dat interstellair ijs laag voor laag op stofdeeltjes aangroeit. Ze deden dat aan de hand van de zwakke signalen van zwaar water (HDO en D₂O in plaats van H₂O).

In de toekomst hopen de onderzoekers meer water in het heelal te bestuderen en dan met name in zich vormende planeetstelsels. Maar dat kan nog wel even duren. Een met Herschel vergelijkbare ruimtetelescoop staat namelijk op z’n vroegst rond 2040 gepland. ‘Er was een kans dat er rond 2030 een ‘watertelescoop’ de ruimte in zou gaan, maar dat project is afgelast,’ zegt Floris van der Tak (SRON/RUG). ‘Dat is jammer, maar het was voor ons een extra reden om het wateroverzicht te maken. Zo hebben we een collectief geheugen voor als er een nieuwe missie komt.’

Herschel was een ruimtetelescoop van ESA in samenwerking met NASA. Voor het wateronderzoek werd gebruik gemaakt van het HIFI-instrument en het PACS-instrument op de telescoop. HIFI was ontworpen en gebouwd door een consortium van instituten en universiteiten uit Europa, Canada en de Verenigde Staten onder leiding van SRON Netherlands Institute for Space Research. Het PACS-instrument was ontwikkeld door een consortium onder leiding van het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Duitsland. Ewine van Dishoeck leidde het wateronderzoek in het WISH-programma.