Nieuwegein (NL) – Titaankoolstofkristallen vormen de sleutel tot raadselachtige straling die infraroodsatellieten uit het heelal ontvangen. Met de vrije-elektronenlaser FELIX in het FOM-instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen onderzoekt een groep van Nederlandse en Amerikaanse onderzoekers deze materie.


De Groningse astronoom Xander Tielens bekeek verwonderd een infraroodspectrum van titaankoolstofclusters, dat hij tijdens zijn bezoek aan het FOM-instituut Rijnhuizen op een poster zag staan. Een Aha-Erlebnis. Een piek bij ongeveer 20 micrometer leek wel op een signaal dat het ruimteobservatorium ISO zag bij sterren die aan het eind van hun levenscyclus opzwellen tot grote, rode koele hemellichamen. Tielens' constatering leidde tot een multidisciplinair project. Sterrenkundigen, natuurkundigen en astronomen uit Nederland en Amerika beschrijven in Science (14 april 2000) het resultaat van hun onderzoek.

In het FOM-instituut in Nieuwegein bestuderen de natuurkundigen de overgang van afzonderlijke atomen naar een vaste stof. Verbindingen die te groot zijn voor een servet, maar te klein voor een tafellaken, noemen ze clusters. Deze kunnen ontstaan als metaal verdampt in aanwezigheid van een gas zoals methaan. In feite ontstaat er een ratjetoe aan verbindingen die met elkaar en met de gasmoleculen botsen. Wankele producten vallen weer uiteen; stabiele verbindingen blijven bestaan.
Met de unieke vrije-elektronenlaser FELIX vinden de FOM-natuurkundigen stabiele clusters en helderen ze de chemische aard ervan op. Als deze laser, die intense warmtestraling produceert, moleculen bestraalt, vallen de meeste door sterke trillingen uit elkaar. Sommige moleculen of clusters staan de extra energie af door een elektron uit te zenden. Ze veranderen in een stabiel ion dat zich, dankzij de lading, met een elektrisch veld laat isoleren.
De onderzoekers bestraalden in Nieuwegein een gasmengsel vol titaankoolstofclusters met infraroodstraling. Per golflengte gingen ze na of er stabiele clusters zijn. Meestal vonden ze niets, maar bij sommige golflengten doken stabiele massa's op. Bij een golflengte van 20,1 micrometer vonden ze een reeks stabiele clusters. De massa's daarvan kwamen overeen met rechthoekige clusters, met zijden van minimaal drie atomen. Koolstof- en titaanatomen wisselen elkaar langs de zijden af. Naast de 3x3x3-clusters, vonden ze ook 3x3x4-, 3x4x4- en nog grotere koolstoftitaanverbindingen. Nanokristallen, zo noemen de onderzoekers de clusters. Vast titaankoolstof heeft bij dezelfde golflengte een piek in het spectrum. Daardoor leek het alsof er in het gas minieme brokjes vast materiaal zweven. Omdat de piek bij grotere nanokristallen niet verandert, leverden de de experimenten schijnbaar niets nieuws op te leveren. Het bezoek van de Groningse astronoom Tielens veranderde de zaak.
Als sterren zoals de Zon aan het eind van hun leven komen, belandt koolstof uit het binnenste van de ster aan het oppervlak. Vlak voordat zo'n ster sterft, stoot hij de buitenste lagen af. Als bij een walmende kaars ontstaan er roetdeeltjes en koolstofverbindingen. In de stervende ster bevinden zich ook zwaardere elementen, zoals titaan. Ooit zijn die door ontploffende zware sterren in de ruimte gestrooid en in nieuwe sterren en planeten beland.
Zo'n honderd jaar lang heersen rondom de stervende rode ster ideale omstandigheden voor het ontstaan van titaankoolstofverbindingen. Dat die verbindingen bestaan, bewijzen titaankoolstofkristallen die in sommige meteorieten de kern van grafietbolletjes vormen. Astronomen kunnen zich echter moeilijk voorstellen hoe die titaankoolstofkernen zijn ontstaan.
De metingen met FELIX beantwoorden de vraag. De kubische kristallen zijn stabiele clusters. De straling en botsingen met stof- en gasdeeltjes rond de ster breken dergelijke clusters niet af, maar laten ze juist groeien. De intensiteit in de piek die de ISO-satelliet heeft gemeten, komt goed overeen met de schattingen over hoeveel nanokristallen van titaankoolstof rond een stervende ster kunnen ontstaan.

Erick Vermeulen