Volledig gedeutereerde methanol voor het eerst in de ruimte gevonden

Wat deze methanol zwaar maakt

Methanol, CH₃OH, is de eenvoudigste alcohol: een koolstofatoom met drie waterstofatomen, verbonden met een zuurstofatoom dat het vierde waterstofatoom draagt. Deuterium is waterstof met naast een proton ook een neutron in de kern. Het is daardoor twee keer zo zwaar, maar vormt dezelfde moleculen. Varianten van een molecuul die alleen in hun isotopen verschillen, heten isotopologen.

Er waren al vier gedeeltelijk gedeutereerde vormen van methanol bekend, met één, twee of drie deuteriumatomen (één deuteriumatoom kan aan het koolstof- of aan het zuurstofatoom zitten). Voor de volledig gedeutereerde vorm hadden eerdere onderzoeken alleen onzekere aanwijzingen opgeleverd. Een team onder leiding van Arnaud Belloche van het Max-Planck-Institut für Radioastronomie heeft CD₃OD nu voor het eerst met zekerheid aangetoond. Het is het eerste interstellaire molecuul met vier deuteriumatomen.

Verrassend is vooral de hoeveelheid. In ons Melkwegstelsel komen op elke 100.000 waterstofatomen maar ongeveer 1,6 deuteriumatomen voor. Als deuterium willekeurig verdeeld was, zou er op tien triljoen (10¹⁹) moleculen gewone methanol nog geen enkel volledig gedeutereerd molecuul zijn. Rond IRAS 4A2 mat het team ongeveer vier CD₃OD-moleculen per 10.000 moleculen gewone methanol.

Hoe ALMA een onzichtbaar molecuul herkent

Moleculen in warm gas draaien rond, maar alleen met bepaalde vaste snelheden. Telkens als een molecuul naar een lagere draaisnelheid terugvalt, zendt het een radiogolf uit met één precieze frequentie. Zwaardere atomen veranderen de manier waarop een molecuul draait. Daardoor heeft elke isotopoloog zijn eigen reeks frequenties: een vingerafdruk die eerst in het laboratorium gemeten moet worden. Voor CD₃OD is dat werk in 2023 gepubliceerd.

De waarnemingen komen van COMPASS, een groot ALMA-programma dat 11 jonge, zonachtige protosterren – sterren die nog in wording zijn – heeft onderzocht bij frequenties van 279,0 tot 311,7 GHz (golflengten van ongeveer een millimeter). ALMA kan details onderscheiden in het gebied binnen ongeveer 100 astronomische eenheden (AE) rond elke protoster, dus 100 keer de afstand tussen de aarde en de zon: een gebied zo groot als een planetenstelsel. In de richting van IRAS 4A2 waren tien spectraallijnen van CD₃OD sterk en nauwelijks vermengd met lijnen van andere moleculen. Daarom staat de identificatie vast.

Een tweede COMPASS-studie vond bij 7 van de 11 protosterren een methanollijn bij 302,9 GHz die in het gas wordt versterkt, zoals licht in een laser: een maser. Zes van die zeven bevinden zich in het vroegste stadium, klasse 0. Bij de zevende wordt de maser waarschijnlijk aangedreven door de uitstroom van een zwaardere naburige protoster.

Waarom deze chemie ertoe doet voor planeten en kometen

Methanol ontstaat in ijslaagjes op stofkorrels: in de koude fase voordat de protoster zich vormt, hechten waterstofatomen zich één voor één aan bevroren koolmonoxide. Bij zulke lage temperaturen krijgt deuterium door zijn extra massa bij sommige reacties een voordeel, waardoor moleculen veel rijker aan deuterium worden dan het kosmische aandeel doet verwachten. Het deuteriumgehalte van methanol verraadt dus hoe het ijs is ontstaan. Zodra de jonge ster zijn omgeving opwarmt, gaat het ijs over in gas en kan ALMA de methanol meten; rond IRAS 4A2 is dat gas ongeveer 200 kelvin (−73°C).

De modellen voor deze chemie schieten tekort: voor de vormen met twee of drie deuteriumatomen voorspellen ze hoeveelheden die tien tot honderd keer kleiner zijn dan wat is waargenomen, en CD₃OD maakt het verschil nog groter. De auteurs vermoeden dat er in de modellen een belangrijk ingrediënt ontbreekt.

Kometen verbinden deze chemie met ons zonnestelsel. Toen ALMA-waarnemingen van een ander jong systeem, IRAS 16293-2422, werden vergeleken met de metingen van de ruimtesonde Rosetta bij komeet 67P/Tsjoerjoemov-Gerasimenko, bleken de relatieve hoeveelheden van veel moleculen in het systeem en in de komeet met elkaar samen te hangen, zij het met enige spreiding. Dat wijst erop dat een deel van het ijs in kometen en andere bouwstenen van planeten afkomstig is uit het stadium waarin IRAS 4A2 nu verkeert.

Waar je moet kijken en wat er te zien is

IRAS 4A2 ligt aan de zuidkant van NGC 1333, een jonge sterrenhoop in Perseus, gehuld in een reflectienevel: stof dat het licht van sterren in de buurt weerkaatst. Het object staat op rechte klimming 3h 29m en declinatie +31° 14′, op ongeveer 950 lichtjaar (290 parsec) afstand. Half november staat de sterrenhoop tegenover de zon en midden in de nacht het hoogst; van december tot februari staat hij ’s avonds gunstig. Ten zuiden van ongeveer 59° zuiderbreedte komt hij nooit op, en vanaf 35° zuiderbreedte klimt hij maar tot ongeveer 24° boven de noordelijke horizon.

De protoster is onzichtbaar voor amateurtelescopen: hij zit diep in het gas en stof waaruit hij ontstaat, en de methanol eromheen is alleen in spectra op millimetergolflengten te zien. Een betrouwbare visuele helderheid van de omringende nevel lijkt nergens gepubliceerd te zijn.