(English follows Dutch)
De Nederlandse sterrenkundige Ewine van Dishoeck (Universiteit Leiden) heeft met een internationaal team van collega’s een overzichtsartikel geschreven over alles wat we dankzij ruimtetelescoop Herschel weten over water in de interstellaire ruimte. Het artikel in het vakblad Astronomy & Astrophysics zet bestaande kennis op een rij en bevat ook nieuwe informatie over waar het water op nieuwe, mogelijk leefbare werelden vandaan komt.
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.’
Over de Herschel-ruimtetelescoop
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.
Publicatie
Water in star-forming regions: Physics and chemistry from clouds to disks as probed by Herschel spectroscopy. By Ewine F. van Dishoeck et al. Accepted for publication in Astronomy & Astrophysics, 2021.
Credit header image: SA/ALMA/NASA/L.E. Kristensen
Long-awaited Herschel overview paper reveals journey of water from interstellar clouds to habitable worlds
Dutch astronomer Ewine van Dishoeck (Leiden University), together with an international team of colleagues, has written an overview of everything we know about water in interstellar clouds thanks to the Herschel space observatory. The article, published in the journal Astronomy & Astrophysics, summarizes existing knowledge and provides new information about the origin of water on new, potentially habitable, worlds.
How and where water is formed in interstellar space and how it eventually ends up on a planet like Earth was not well understood ten years ago. One reason for this is that observations made with ground-based telescopes are affected by water vapour in our own atmosphere. In 2009, ESA launched the far-infrared space telescope Herschel. One of Herschel’s main goals was to study water in space. Herschel was in service until 2013. Of particular importance was the HIFI instrument, built under SRON leadership, also known as the ‘molecule hunter’. Frank Helmich (SRON) and Thijs de Graauw (then SRON) were the two Principal Investigators. In recent years, dozens of scientific articles have been published based on Herschel’s water data. Now these results have been combined and expanded with new insights.
The new study describes the journey of water throughout the star formation process, including the intermediate stages which, until now, had received less attention. The paper shows that most of the water is formed as ice on tiny dust particles in cold and tenuous interstellar clouds. When a cloud collapses into a protostar, this water is largely preserved and quickly anchored into pebble-sized dust particles. In the rotating disc around the young star, these pebbles then form the building blocks for new planets.
Furthermore, the researchers have calculated that most new solar systems are born with enough water to fill several thousand oceans. Ewine van Dishoeck: ‘It’s fascinating to realize that when you drink a glass of water, most of those molecules were made more than 4.5 billion years ago in the cloud from which our sun and the planets formed.’
Many of the earlier Herschel results focused on the hot water vapor that is prominently seen and copiously produced near forming stars. But that hot water is lost to space by the powerful outflows from the young star. Whilst writing the review, the researchers gained more and more insight into the chemistry of the cold water vaporur and ice. For example, they were able to show that interstellar ice grows on dust particles layer by layer. They based this conclusion on the weak signals from heavy water (HDO and D2O instead of H2O).
In the future, researchers hope to study more water in the universe, particularly in forming planetary systems. However, that might take a while. The next space telescope comparable to Herschel is planned to launch no earlier than 2040. ‘There was a chance that a ‘water telescope’ would launch into space around 2030, but that project was cancelled,’ says Floris van der Tak (SRON/RUG). ‘That is a pity, but it was an extra reason for us to write the water overview. In that way we have a collective memory for when a new mission comes along.’
About the Herschel space telescope
Herschel was an ESA space telescope built in cooperation with NASA. Its HIFI and PACS instruments were used for water research. HIFI was designed and built by a consortium of institutes and university departments across Europe, Canada, and the United States under the leadership of SRON Netherlands Institute for Space Research, with major contributions from Germany, France, and the USA. The PACS instrument was developed by a consortium of institutes and universities across Europe led by the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Germany. Ewine van Dishoeck led the water research in the WISH programme (Water in Star-forming regions with Herschel).
Publication
Water in star-forming regions: Physics and chemistry from clouds to disks as probed by Herschel spectroscopy. By Ewine F. van Dishoeck et al. Accepted for publication in Astronomy & Astrophysics, 2021.
Credit header image: SA/ALMA/NASA/L.E. Kristensen
