Infraroodspectrum van iconische ‘voetbal-molecuul’ nog beter bepaald

Jaren geleden voorspelde Nobelprijswinnaar Harry Kroto dat het robuuste, door hem ontdekte molecuul buckminsterfullereen (C60) – dat behoorlijk wat wegheeft van een voetbal – in veelvoud zou moeten voorkomen in de ruimte. En dan vooral ook in geprotoneerde vorm, wat betekent: in combinatie met een positief geladen waterstofdeeltje (H+) dat als een soort sprietje aan de voetbal vastzit.

Onderzoekers van HFML-FELIX slaagden er in 2020 – zo’n 35 jaar nadat C60 werd ontdekt – voor het eerst in om een vingerafdruk te bepalen voor deze geprotoneerde vorm (C60 H+). Daar kunnen ze dankzij nieuwe metingen nu een belangrijk onderdeel aan toevoegen. Iets waarmee het nog makkelijker moet worden om deze molecuul te detecteren in de ruimte.

Moleculen zien

Voordat je kunt onderzoeken hoeveel van een bepaalde molecuul ergens voorkomt, moet je eerst weten hoe je hem kunt vinden. Daarvoor is het nodig om de vingerafdruk te bepalen. Je kijkt dan hoeveel licht van elke frequentie door een molecuul wordt geabsorbeerd.

In dit onderzoek is molecuul C60 H+ eerst nagemaakt in het lab. Zo’n molecuul is namelijk overal ter wereld en erbuiten precies hetzelfde opgebouwd. Vervolgens kon met behulp van een massaspectrometer in combinatie met een vrije elektronen laser naar de vingerafdruk gekeken worden.

Moeilijke meting

Deze combinatie van technieken was nodig omdat het spectrum zien van elektrisch geladen deeltjes (H+ in dit geval) behoorlijk lastig is. De deeltjes die je wilt bestuderen stoten elkaar namelijk af. Dan krijg je een lagere concentratie van je sample en kun je het spectrum niet goed bepalen.

Gebruik je echter eerst een hele sterke vrije elektronen laser om de deeltjes in een hogere energietoestand te brengen, dan breken de deeltjes bij bepaalde golflengtes op in fragmenten. Daarmee verandert de massa. En dat kun je wel weer goed meten, met een massaspectrometer. Dat is hoe enkele jaren geleden het infraroodspectrum is bepaald van C60 H+.

Hieraan wordt nu, dankzij nieuw onderzoek, een belangrijk detail toegevoegd. Wat je namelijk heel mooi terugziet in de meest recente grafiek van het spectrum, is één piekje specifiek voor dat ene proton (H+) dat aan de (verder symmetrische) ‘voetbal’ zit. En dat is zo’n uniek piekje, dat dit het waarschijnlijk veel makkelijker maakt C60H+ te vinden.

Hoeveel het voorkomt

Maar met het bepalen van het spectrum weten we natuurlijk nog niet of C60 H+ ook echt (veel) voorkomt in de ruimte. Om daar meer over te kunnen zeggen hebben de onderzoekers hun laboratoriummetingen over bestaande astronomische metingen gelegd. Metingen van het emissiespectrum van een object in de Kleine Magelhaense Wolk. Daar werd C60 namelijk voor het eerst gedetecteerd.

Wat ze zagen was een mooie overeenkomst tussen piekjes in beide spectra, wat in ieder geval suggereert dat er zowel C60 als C60 H+ aanwezig moet zijn op deze plek. Wel is het zo dat er daar ook nog andere componenten aanwezig moeten zijn. Sommige piekjes zijn nog niet te verklaren. En dus worden op het moment in het lab ook mogelijke andere kandidaten bestudeerd.

Sterren en planeten

Dankzij de combinatie van spectroscopische metingen, astronomische waarnemingen en theoretische modellen komen we dus steeds meer te weten over de chemische samenstelling van interstellaire wolken. Ook kan de aan- of afwezigheid van bepaalde moleculaire verbindingen een indicatie zijn voor bijvoorbeeld temperatuur, dichtheid en stralingsintensiteit in zo’n wolk van gas en stof.

Dankzij dit soort onderzoeken, maar zeker ook dankzij nieuwe instrumenten als de James Webb Telescope, hebben we straks de kennis om beter te begrijpen hoe sterren en planeten zich vormen.

De laatste paper, waaraan onder andere Jos Oomens, Giel Berden en Laura Finazzi (foto) van HFML-FELIX meewerkten, vind je in The Astrophysical Journal:

Experimental Determination of the Unusual CH Stretch Frequency of Protonated Fullerenes