(English follows Dutch)
Tussen de sterren in onze Melkweg zweven immense hoeveelheden stofdeeltjes doelloos in het rond. Ze vormen de bouwstenen voor nieuwe sterren en planeten. Maar we weten nog steeds niet precies welke elementen er beschikbaar zijn om planeten zoals ons Aarde te vormen. Een SRON-onderzoeksgroep onder leiding van Elisa Costantini heeft nu waarnemingen van röntgentelescopen vergeleken met data van deeltjesversnellers om een kaart te creëren van interstellaire stofdeeltjes in de Melkweg.
Als onze Melkweg zo erg zou krimpen dat sterren zo klein zijn als knikkers, zou er onderling nog steeds ongeveer duizend kilometer ruimte tussen zitten. We mogen dus gerust stellen dat sterrenstelsels voornamelijk bestaan uit lege ruimte. Toch is die ruimte niet zo leeg als je misschien denkt. Het is gevuld met zeer ijl gas en kleine stofdeeltjes van zo’n 0,1 micron—een duizendste van de dikte van een menselijk haar. Er is veel meer gas dan stof aanwezig in dit zogeheten interstellaire medium; slechts ongeveer één procent van het interstellair medium bestaat uit stof.
Dit stof wordt gevormd tijdens de levenscyclus van sterren. Een ster, en de planeten eromheen, ontstaat uit een instortende wolk van gas en stof. Wanneer de ster aan het einde van zijn leven komt, stoot hij een flink deel van zijn massa af aan het omliggende medium, waarmee hij nieuw materiaal aanlevert waaruit stof gevormd kan worden. Als de ster zijn leven eindigt met een supernova-explosie, verrijkt hij de omgeving met nog meer gas en stof, die uiteindelijk de nieuwe bouwstenen vormen voor sterren en planeten. Zoals Carl Sagan ooit zei: “We zijn gemaakt van sterrenstof”. Maar welke elementen precies beschikbaar zijn in het interstellaire medium om planeten zoals de Aarde te vormen, is nog onbekend.
Een onderzoeksgroep van SRON onder leiding van Elisa Costantini heeft het interstellaire stof in onze Melkweg nu bestudeerd met behulp van röntgenstraling. Zo hebben ze voor het eerst het stof in het centrale deel van de Melkweg onderzocht en ontdekten ze dat de stofkorrels in die omgeving bestaan uit glasachtig olivijn, bestaande uit magnesium, ijzer, silicium en zuurstof. De interactie met straling afkomstig van sterren en botsingen met hoogenergetische kosmische deeltjes zorgen ervoor dat de stofdeeltjes smelten en kleine glasachtige korreltjes vormen. In de diffuse gebieden verder verwijderd van het centrale deel van de Melkweg vond het team aanwijzingen voor een grotere variatie in de samenstelling van het stof. Dit kan leiden tot planetenstelsels met uiteenlopende samenstellingen, waardoor het zelfs zo zou kunnen zijn dat de chemische samenstelling van ons zonnestelsel eerder uitzondering is dan regel.
Costantini: ‘Ons zonnestelsel is gevormd in een buitenregio van de Melkweg en is het resultaat van een complexe reeks gebeurtenissen, waaronder nabije supernova-explosies. Het blijft een open vraag wat de juiste omgeving en omstandigheden zijn om planeetstelsels te vormen waar leven kan gedijen, zoals in ons zonnestelsel.’
Om tot hun onderzoeksresultaten te komen, vergeleken Costantini en haar groep waarnemingen van röntgentelescopen met laboratoriummetingen uit deeltjesversnellers. In röntgenstraling kun je specifieke patronen zien—een soort streepjescodes—die uniek zijn voor verschillende soorten stof zoals silicaten, oxides en sulfaten. De laboratoriummetingen aan stof dat qua samenstelling lijkt op wat we in de ruimte vinden, zijn vervolgens omgezet naar astronomische modellen. De onderzoekers vergeleken die modellen met sterrenkundige observaties om zo de beste overeenkomsten te vinden. Door de Melkweg vanuit verschillende zichtlijnen te bekijken, konden ze verschillende gebieden van ons sterrenstelsel verkennen.
Het onderzoeksteam gebruikte de deeltjesversnellers Soleil-LUCIA beamline, Dubble-ESRF beamline en Titan electron microscope (Universiteit van Cadiz). Voor de sterrenkundige observaties gebruikten ze de röntgentelescopen XMM-Newton (ESA) en Chandra (NASA). Dit onderzoek is ondersteund door een NWO-VIDI beurs: 639.042.525 (PI: E. Costantini).
Astronomers map interstellar dust grains in Milky Way
Between the stars in our Milky Way, vast amounts of tiny dust grains are floating aimlessly around. They form the building blocks of new stars and planets. But we still don’t know what elements exactly are available to form planets like Earth. A research team at SRON led by Elisa Costantini has now matched observations from X-ray telescopes with data from synchrotron facilities to create a map of interstellar grains in the Milky Way.
If our Galaxy shrank to the point where stars have the size of marbles, there would still be about a thousand kilometers between each of them. So it is safe to say that galaxies consist mostly of empty space. Still, this space is not as empty as you might think. It is filled with the so-called interstellar medium. For the larger part this is made up of tenuous gas, but around one percent is in the form of tiny grains of about 0.1 micron—one thousandth the width of a human hair.
These grains are formed during the life cycle of stars. A star, and the planets around it, is formed by a collapsing cloud of gas and dust. When the star evolves toward the end of its life, it expels a good fraction of its mass in the surrounding medium, creating new material for dust formation. If the star ends its life with a supernova explosion, it will further enrich the environment with even more gas and dust. This in turn will eventually constitute new building blocks for stars and planets. As Carl Sagan said: “we are made of stardust”. But what elements exactly are available in the interstellar medium to form planets like Earth is still unknown.
The interstellar dust research group at SRON Netherlands Institute for Space Research led by Elisa Costantini has now studied the interstellar grains in our Milky Way using X-ray radiation. They could, for the first time, explore the properties of the dust in central regions of the Galaxy and found that those grains are consistently made of a glassy silicate: olivine, which is a compound of magnesium, iron, silicon and oxygen. The interaction with stellar radiation and cosmic rays melted these grains to form little glassy irregular spheres. When moving further out to more diffuse regions away from the Galactic center, the team found clues for the presence of a larger variety in dust composition. This may give rise to diversified planetary systems. It might even be that our planetary system is the exception rather than the norm.
Costantini: ‘Our solar system was formed in the outer regions of the Galaxy and is the result of a complex sequence of events, including nearby supernova explosions. It remains an open question what is the right environment to form planetary systems and which of these events are vital to form a planet where life can flourish.’
To get to their results, Costantini and her group matched observations from X-ray telescopes and synchrotron facilities. They used the latter to characterize the features that interstellar dust analogues like silicates, oxides and sulfates produce in X-rays. Then they compared these to the astronomical data to find the best matches. Observing several lines of sight allowed them to explore different environments of the Milky Way.
The research team used using the synchrotron facilities Soleil-LUCIA beamline, the Dubble-ESRF beamline and the Titan electron microscope at the University of Cadiz. On the astronomical side, they used the X-ray observatories XMM-Newton (ESA) and Chandra (NASA). The exploitation of these experimental data and application to astronomical data has been supported by an NWO-VIDI grant number: 639.042.525 (PI: E. Costantini).