Astronomen en astrochemici kenden de afgelopen twintig jaar twee mysteries waar ze maar niet de vinger op konden leggen. De eerste was dat de hoeveelheid vluchtig zwavel in dichte wolken en stervormingsgebieden veel lager is dan in de ijlere gebieden tussen de sterren. Er leek zwavel te verdwijnen. De tweede was dat het uiteengerafelde infraroodlicht van stervormingsgebieden een opvallende, maar onverklaarbare piek bevat.
Een internationaal team onder leiding van Leidse onderzoekers komt met een oplossing voor beide mysteries: ammoniumhydrosulfidezout. De onderzoekers onderbouwen hun oplossing met laboratoriumexperimenten die kosmische omstandigheden simuleren. Daarin is het extreem koud met stof, ijs en kiezels en relatief weinig moleculen die kunnen reageren.
De experimenten lieten zien dat vluchtig NH3 (ammoniak, bekend van schoonmaakmiddelen) en vluchtig H2S (waterstofsulfide, de geur van rottende eieren) snel reageren tot NH4SH (ammoniumhydrosulfidezout) als ze bij elkaar komen in ijzen rond stofdeeltjes. Dit duidt erop dat in dichte stervormingsgebieden een deel van de vluchtige zwavel wordt vastgelegd op stof en kiezels. Daardoor lijkt er zwavel verdwenen.
Daarnaast bleek uit de experimenten dat het ammoniumhydrosulfidezout precies een piek veroorzaakt op de plek van de tot dan toe onverklaarbare piek in gegevens van onder andere het MIRI-instrument op de James Webb-ruimtetelescoop. Dankzij deze piek konden de astronomen vervolgens berekenen dat tot ongeveer twintig procent van het missende zwavel zich in de vorm van dit zwavelzout op stof en kiezels kan bevinden.
Twee vliegen in één klap
“Ik vind het supertof dat we beide mysteries eindelijk ontrafelen”, zegt Katie Slavicinska. Zij is PhD-student aan de Universiteit Leiden en eerste auteur van de wetenschappelijke publicatie. “Met ons onderzoek slaan we twee vliegen in één klap.”
De aanleiding voor het onderzoek zijn resultaten van de Rosetta-missie van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. Bij die missie cirkelde een ruimtevaartuig tussen 2014 en 2016 rond komeet 67P. Uit analyses gepubliceerd eind 2022 bleek dat in de stofdeeltjes van die komeet onverwacht veel ammoniumhydrosulfide aanwezig was. Slavicinska: “En omdat we vermoeden dat kometen veel ongerept ijzig materiaal uit de begintijd van ons zonnestelsel bevatten, was het een logische stap om naar ammoniumhydrosulfide te zoeken in het ijs van stervormingsgebieden.”
Tweede auteur Adwin Boogert, Nederlander werkzaam aan de Universiteit van Hawaï in Manoa zegt: “Het is spannend om te zien hoe we steeds meer chemische sporen terug kunnen volgen van ons huidige zonnestelsel naar het ontstaan van nieuwe zonnestelsels.”
De onderzoekers zijn van plan om in de toekomst meer waarnemingen te doen met het MIRI-instrument op de James Webb-ruimtetelescoop zodat ze de theorie van de infraroodpiek kunnen bevestigen. Ook hopen ze de overige tachtig procent van het missende zwavel te vinden. Eerder onderzoek doet vermoeden dat metaalsulfiden en andere verschijningsvormen van zwavel daarin weleens een rol zouden kunnen spelen.
Wetenschappelijk artikel
Ammonium hydrosulfide (NH4SH) as a potentially significant sulfur sink in interstellar ices. Door: K. Slavicinska, A.C.A. Boogert, Ł. Tychoniec, E.F. van Dishoeck, M.L. van Gelder, M.G. Navarro, J.C. Santos, P.D. Klaassen, P.J. Kavanagh & K.-J. Chuang. In: Astronomy & Astrophysics. [origineel (open access) | preprint]
Samengestelde afbeelding van een stervormingsgebied (links) en de komeet 67P (rechts). In het midden het zout ammoniumhydrosulfide (NH4SH) dat beide gemeen blijken te hebben en dat onder andere verklaart waarom er minder vluchtig zwavel in stervormingsgebieden is dan verwacht. (c) NASA/ESA/CSA/M. Zamani (ESA/Webb); ESA/Rosetta/NAVCAM; K. Slavicinska. [hoge resolutie]