Onverwachte dampen van zware metalen aangetroffen in atmosfeer van kometen uit ons zonnestelsel – en van daarbuiten
Nieuw onderzoek door een Belgisch team heeft uitgewezen dat in de atmosferen van kometen ijzer en nikkel voorkomen – zelfs in die van kometen op grote afstand van de zon. Onafhankelijk onderzoek door een Pools team toonde dan weer aan dat in de atmosfeer van de ijskoude interstellaire komeet 2I/Borisov eveneens nikkeldamp aanwezig is. Het is voor het eerst dat zware metalen, die doorgaans in hete omgevingen te vinden zijn, in de koude atmosferen van verre kometen zijn aangetroffen. De resultaten hebben implicaties voor ons begrip van het ontstaan van kometen en ons zonnestelsel.
"Het was een grote verrassing om ijzer- en nikkelatomen te detecteren in de atmosferen van alle ongeveer twintig kometen die we de afgelopen twee decennia hebben waargenomen, zelfs bij kometen in de koude ruimte ver van de zon", zei Jean Manfroid van het Space sciences, Technologies and Astrophysics Research (STAR) Institute van de Université de Liège, die de leiding had over het nieuwe onderzoek van kometen in ons zonnestelsel.
Astronomen weten dat er in het stoffige en rotsachtige binnenste van kometen zware metalen voorkomen. Maar omdat vaste metalen gewoonlijk niet sublimeren - uit vaste toestand direct gasvormig worden - bij lage temperaturen, hadden de onderzoekers niet verwacht dat ze zware metalen zouden aantreffen in de atmosferen van koude kometen die zich ver van de zon wagen. Nikkel- en ijzerdampen zijn nu zelfs gedetecteerd bij kometen die zijn waargenomen op meer dan 480 miljoen kilometer van de zon – meer dan drie astronomische eenheden, de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon.
Het team van het STAR Institute heeft bovendien ontdekt dat de atmosferen van kometen ongeveer gelijke hoeveelheden ijzer en nikkel bevatten. Doorgaans bevat materiaal in ons zonnestelsel, bijvoorbeeld dat in de zon en in meteorieten, ongeveer tien keer zoveel ijzer als nikkel. Dit nieuwe resultaat heeft daarom gevolgen voor ons begrip van het ontstaan van kometen en van het vroege zonnestelsel, al weet het team nog niet precies wat de implicaties ervan zijn.
"Kometen zijn ongeveer 4,6 miljard jaar geleden gevormd in het zeer jonge zonnestelsel, en zijn sinds die tijd niet veranderd. In zekere zin zijn het astronomische fossielen", zei medeauteur Emmanuel Jehin.
Hoewel het Belgische team deze ‘fossiele’ objecten al bijna twintig jaar onderzoekt met de Very Large Telescope (VLT) van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), hadden de onderzoekers de aanwezigheid van nikkel en ijzer in hun atmosferen tot nu toe niet opgemerkt. "Deze ontdekking is jarenlang aan onze aandacht ontsnapt", zo zei Jehin.
(lees verder onder de foto)
Heel weinig ijzer en nikkel
Het team maakte gebruik van gegevens van het Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph (UVES)-instrument van de VLT van ESO. Daarbij werden de atmosferen van kometen op verschillende afstanden van de zon onderzocht, met behulp van een techniek die spectroscopie wordt genoemd,. Met deze techniek kunnen astronomen de chemische samenstelling van kosmische objecten analyseren: elk chemisch element laat een unieke vingerafdruk achter – een reeks lijnen – in het lichtspectrum van deze objecten.
Het team van de ULiège ontdekte zwakke, niet-geïdentificeerde spectraallijnen in hun UVES-gegevens, die bij nader inzien aan neutrale, vrije atomen van ijzer en nikkel konden worden toegeschreven. Een van de redenen waarom de zware elementen moeilijk aantoonbaar waren, is dat ze in zeer kleine hoeveelheden voorkomen. Het team schat dat er voor elke honderd kilogram water in de atmosfeer van een komeet slechts ongeveer één gram ijzer en ruwweg evenveel nikkel aanwezig is.
"Gewoonlijk is er tien keer meer ijzer dan nikkel, maar in deze komeet-atmosferen troffen we beide elementen in ongeveer gelijke hoeveelheden aan. Daaruit leiden we af dat deze elementen wellicht afkomstig zijn van een speciaal soort materiaal op het oppervlak van de komeetkern, dat bij vrij lage temperatuur sublimeert en ongeveer evenveel ijzer als nikkel afgeeft", zei teamlid Damien Hutsemékers.
Hoewel het team nog niet zeker weet welk materiaal dit zou kunnen zijn, zullen nieuwe instrumenten, zoals de Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS) van de geplande Extremely Large Telescope (ELT) van de ESO, onderzoekers wellicht in staat stellen om de bron van de ijzer- en nikkelatomen in de atmosferen van deze kometen op te sporen.
De Belgische onderzoekers hopen dat hun werk de weg zal banen voor toekomstig onderzoek. "Nu zullen mensen in de gearchiveerde gegevens van andere telescopen naar die lijnen gaan zoeken", zei Jehin. "We denken dat dit de aanzet zal geven tot nieuw onderzoek op dit terrein."
Video: animatie van een komeet-atmosfeer met zware metalen
De video begint met een animatie van komeet C/2016 R2 (PANSTARRS), gebaseerd op echte foto’s die met de SPECULOOS-telescoop van de ESO-sterrenwacht op Paranal zijn gemaakt. Vervolgens wordt ingezoomd op de blauwe komeet. Bij nieuw onderzoek met het UVES-instrument van ESO’s Very Large Telescope, heeft het onderzoeksteam in het binnenste deel van de atmosfeer van de komeet atomen van zware metalen opgespoord – een ontdekking die aan het eind van de video wordt weergegeven. Daar is het spectrum van de komeet te zien en de daarin aangegeven lijnen van ijzer (Fe, blauw) en nikkel (Ni, oranje), die aantonen dat deze beide elementen in de atmosfeer van de komeet voorkomen. (Video: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser, SPECULOOS Team/E. Jehin, Manfroid et al.)
Ook interstellaire zware metalen
Een ander recent onderzoek toont aan dat er ook zware metalen voorkomen in de atmosfeer van de interstellaire komeet 2IBorisov. Toen dit object – de eerste buitenaardse komeet die ons zonnestelsel heeft bezocht – ongeveer anderhalf jaar geleden voorbijkwam, heeft een Pools team het waargenomen met de X-shooter-spectrograaf van de VLT. Daarbij hebben de astronomen ontdekt dat de koude atmosfeer van 2I/Borisov gasvormige nikkel bevat.
"Aanvankelijk konden we maar moeilijk geloven dat atomaire nikkel werkelijk op zo’n grote afstand van de zon aanwezig kon zijn in 2I/Borisov. We hebben alles talloze keren moeten controleren voordat we onszelf uiteindelijk konden overtuigen", zei onderzoeksauteur Piotr Guzik van het Astronomisch Observatorium van de Jagiellonische Universiteit in Krakau, Polen.
De ontdekking is verrassend omdat, tot aan de twee onderzoeken die nu gepubliceerd zijn, gassen met atomen van zware metalen alleen zijn waargenomen in hete omgevingen, zoals in de atmosferen van ultrahete exoplaneten of verdampende kometen die te dicht bij de zon kwamen. Maar 2I/Borisov werd waargenomen toen hij zich ongeveer 300 miljoen kilometer van de zon bevond – ongeveer tweemaal de afstand tussen de aarde en de zon.
Het gedetailleerd onderzoeken van interstellaire objecten is erg belangrijk voor de wetenschap, omdat die objecten waardevolle informatie bevatten over de verre planetenstelsels waar ze vandaan komen. "Plotseling begrepen we dat gasvormige nikkel aanwezig is in komeet-atmosferen in andere delen van het Melkwegstelsel", zei medeauteur Michał Drahus, eveneens van de Jagiellonische Universiteit.
De Poolse en Belgische onderzoeken tonen aan dat 2I/Borisov en de kometen van ons zonnestelsel nog meer gemeen hebben dan tot nu toe werd gedacht. "Stel je voor: in andere planetenstelsels komen kometen voor die als twee druppels water op die in ons eigen zonnestelsel lijken – hoe cool is dat?", zo besloot Drahus.
De studie van het Luikse team is verleden week gepubliceerd in Nature, ook de studie van de Poolse onderzoekers is gepubliceerd in Nature. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van het European Southern Observatory (ESO).
