Ergens helemaal in het begin, bij de allereerste lessen scheikunde, krijgen scholieren een soort chemie-lego in hun handen. Een zuurstofatoom is een rood bolletje met twee stokjes erop, daar kunnen dan weer mooi twee witte bolletjes waterstof aan vast… en ta-daa: een watermolecuul. Op het zwarte bolletje van koolstof zitten vier stokjes, en als je daar ook van die waterstofjes op zet, heb je de eenvoudigste koolstofverbinding gemaakt: methaan.

Vanaf daar kan je eigenlijk onbeperkt verder. Eén of twee van de waterstofjes kunnen eraf, en vervangen door, nou ja, bijna alles. De methaantjes kunnen aan elkaar, of gecombineerd worden met andere atomen tot de aminozuren die zo belangrijk zijn voor levende wezens, tot alcohol dat op een andere manier belangrijk is, of tot allerlei andere stoffen die we om ons heen zien.

In het echt, dat wil zeggen in de ijle en ijzige ruimte tussen de sterren, werkt het ook zo, vermoedt de groep wetenschappers die onderzoek verricht op het grensvlak van de sterrenkunde en de chemie. Eenvoudige moleculen, zoals water, ammoniak en dus ook methaan, ontstaan door atomen aan elkaar te koppelen. Die moleculen vormen dan de basis voor allerlei andere stofjes.

Blauwe tint

Op aarde werkt het allemaal ietsje anders, omdat hier de vorming van koolstofverbindingen deels wordt uitgevoerd door levende wezens, maar voor zover we weten is dat de enige uitzondering in het heelal.

Ook buiten de aarde is methaan te vinden. Vrij veel, zelfs. Het zorgt ervoor dat de planeten Neptunus en Uranus een beetje blauwe tint hebben als je er door een telescoop naar kijkt, het is te vinden in zich vormende zonnestelsels, en in de reusachtige wolken die tussen de sterren in zitten.

Het ruimte-methaan is niet zoals op aarde ontstaan doordat er darmbacteriën of bosbranden aan te pas kwamen, maar hoe dan wel? Promovenda Danna Qasim van de Leidse Sterrewacht liet het zien, in het vakblad Nature Astronomy.

Leiden heeft een lang lopende onderzoekslijn waarin de astrochemici hun observaties aan de ruimte proberen te koppelen aan experimenteel onderzoek. Sterrenkunde, maar dan in een laboratorium. Het licht dat telescopen opvangen, bevat de vingerafdrukken van chemische verbindingen, maar niet bij elke vingerafdruk hoort al een verdachte.

Door de chemische omstandigheden van interstellaire wolken na te bouwen – een heel hoog vacuüm en een heel lage temperatuur van zo’n 260 graden onder nul - kunnen laboratorium-astrofysici op zoek gaan naar mogelijke verdachten en moleculen nabouwen met de juiste vingerafdrukken.

IJskoude vacuüm-kamer

Qasim – je spreekt het uit als “Kessim”, want ze is Amerikaans – ging aan de slag met de vorming van methaan. Als de vorming daarvan in je ijskoude vacuüm-kamer hetzelfde verloopt als in interstellaire gaswolken, zouden de lichtspectra ook hetzelfde moeten zijn.

Het begint met koolstofatomen, net als in die scheikundeles. Die zijn lastiger te vinden dan je misschien zou denken. Levende wezens zitten er vol mee, en je kan het in vrijwel pure vorm uit de uitlaat van je auto of brommer kloppen, maar dat is niet de juiste variant. De kool in uitlaten, grafiet, bestaat uit netwerken van koolstofatomen, en die reageren anders.

‘Onze apparatuur verhit koolstofpoeder, en schiet losse atomen als een soort straal de testruimte in’, legt ze uit. Voorzichtigheid is geboden, want koolstofpoeder en elektrische apparatuur gaan erg slecht samen - ook de reden waarom potloden met hun kern van grafiet streng verboden zijn in ruimteschepen.

In die testruimte, op een dun laagje ijs dat er in de ruimtewolken ook is, botsen de koolstofatomen met eveneens afgeschoten waterstofatomen. De vorming gaat zelfs stukken sneller als er waterijs aanwezig is, ontdekten Qasim en haar collega’s, en dat komt mooi overeen met wat telescoop-sterrenkundigen al dachten te zien.

Eén atoom per keer

Waarom het belangrijk is om experimenteel te laten zien hoe methaan zich vormt? Qasim: ‘Zolang je dat niet hebt gedaan, zeg je eigenlijk dat je niet goed weet hoe methaan dan in de ruimte terecht is gekomen. Dat is dan bovendien een gat in je begrip van hoe complexere moleculen vormen. Nu kun je beter verbanden leggen. Als je de omstandigheden waarin de bouwsteen methaan gevormd is begrijpt, heb je een schakel die je ook helpt bij de moleculen die daarop gebaseerd zijn.’

Dat is ook waar haar volgende experimenten over zullen gaan. ‘Grotere, complexere moleculen, waaronder ook stoffen die op de aanwezigheid van leven zouden kunnen duiden. Voorlopig beginnen we door één koolstofatoom per keer toe te voegen.’

Ze is bijzonder geïnteresseerd in het stofje glycine, het eenvoudigste aminozuur. ‘Dat vinden we wel in meteorieten, maar niet in interstellaire wolken. Waar komt het dan vandaan?’