Galaksens historie er skrevet i støv

Solsystemet vrimler med rester af stjerner, der brændte ud og spredte støv og gas i galaksen for milliarder af år siden – men først nu står astronomerne med et konkret bevis for det:

Forskere fra det naturhistoriske Field Museum og The University of Chicago har udvundet det lille støvkorn af Murchison-meteoritten, og i januar 2020 offentliggjorde de deres opdagelse af, at det er over syv milliarder år gammelt.

Solsystemet blev dannet for 4,6 milliarder år siden, så støvkornet er omkring tre milliarder år ældre og fungerer dermed som en slags tidskapsel fra tiden, før Solen blev til.

Dateringen har vakt opmærksomhed, fordi det mikroskopiske støvkorn er det absolut ældste materiale, det hidtil er lykkedes forskere at datere.

Støvkornet er med til at skrive Mælke­vejens historie – en historie om stjerner og planeter, der aldrig var blevet til uden det uanseelige støv.

Rumstøv ligger i vindueskarmen

Når astronomer taler om støv, mener de ikke nullermænd – og dog. Kosmisk støv findes også i det støv, der lægger sig i vores vindueskarme, men partiklerne er mindre end sandkorn og måles i tusindedele og milliontedele af en millimeter.

De består typisk af grundstofferne ilt, silicium, magnesium, kulstof og jern – meget ligesom jordskorpens mineraler – men kan også være sodpartikler af rent kulstof som dem, der bliver sendt op med røgen fra et stearinlys.

Hvert eneste døgn rammes Jorden af 43 tons rumstøv, der stammer fra udbrændte stjerner. Faktisk består alt i naturen omkring os af atomer, der ligesom støvkornet fra Murchison-meteoritten blev dannet i stjernerne engang for milliarder af år siden.

Kun de allerletteste grundstoffer blev dannet ved big bang – gasarterne brint og helium samt en lille smule litium.

Men i centrum af stjerner kunne de lette grundstoffer smelte sammen til stadig tungere atomer, og på den måde er de grundstoffer, som Jorden og vi selv består af, blevet dannet.

Selvom stort set alting i bund og grund er stjernestøv, er det imidlertid ekstremt svært at finde støvkorn, der er ældre end Jorden.

Det skyldes, at det indre af Solsystemet blev opvarmet godt og grundigt af den unge Sol, så støvet smeltede og ændrede form.

Kort tid efter dannelsen var jordkloden dækket af et stort ocean af lava, og siden har vulkanudbrud og kontinenternes drift bidraget til at ændre på sammensætningen af det oprindelige byggemateriale.

Jorden er ganske vist bygget af stjernestøv, men det meste af det er forvandlet til ukendelighed.

Babyboom i Mælkevejen før Solen

For at finde kosmisk støv på Jorden må forskerne søge efter noget, der er bragt hertil for nylig, som det var tilfældet med Murchison-meteoritten.

Forskerne knuste en del af rumstenen og analyserede indholdet ved hjælp af massespektroskopi, en metode, der bestemmer de enkelte atomers masse.

På den måde isolerede de et støvkorn af materiale, som umuligt kunne være dannet på Jorden, og bestemte dets alder.

Imens støvkornet svævede rundt i rummet, blev det udsat for kosmisk stråling, der forvandlede nogle af dets atomer til neon-atomer.

Ved at måle mængden af neon med ekstrem præcision kunne forskerne derfor se, hvor længe støvet strejfede om på egen hånd.

Foruden det mere end syv milliarder år gamle støvkorn fandt forskerne flere andre støvkorn i Murchison-meteoritten, der ligeledes ser ud til at stamme fra udbrændte stjerner, men er knap så gamle.

De fleste har mellem 4,6 og 4,9 milliarder år på bagen, så de må stamme fra stjerner, der var ved at brænde ud, lige før Solsystemet opstod.

Teoretiske modeller for stjerners udvikling fortæller forskerne, at siliciumkarbid, som støvkornene består af, primært dannes af stjerner med en levetid på lidt over to milliarder år.

Det vil sige, at de stjerner, der leverede størstedelen af støvkornene, blev dannet for cirka syv milliarder år siden.

Støvkornene fortæller derfor astronomerne, at der tilsyneladende var et boom i stjernedannelsen i vores galakse på det tidspunkt.

Astronomer diskuterer netop, om nye stjerner dannes i en konstant takt, eller om der er udsving i aktiviteten, og analysen af Murchison-meteoritten peger altså på, at der måske er perioder med højere aktivitet.

Kosmisk støv dannes ikke kun i dødskramperne fra mellemstore stjerner, som det var tilfældet for støvkornene i Murchison-meteoritten.

De allerstørste stjerner dør som supernovaer i gigantiske eksplosioner, og det producerer enorme mængder støv, der kastes ud i verdensrummet.

Det fandt astronomer fra universiteterne i Aarhus og København bevis for i 2014 efter at have observeret resterne af supernovaen SN 2010jl igennem to et halvt år.

Ved hjælp af et særligt instrument, der er koblet til Very Large Telescope i Chile, kunne de se, hvordan der løbende blev dannet støv af resterne af den store stjerne.

Efter de 868 døgn, hvor astronomerne studerede stjernen, havde den dannet støv nok til at skabe 830 jordkloder.

Resterne af de eksploderede kæmpe­stjerner kan også finde vej helt til Jorden. I 2019 fandt tyske forskere støv fra en supernova, da de analyserede 20 år gammel sne fra Antarktis.

Her opdagede de nemlig jern af en særlig radioaktiv type kaldet jern-60, som kun kan være dannet i en supernovaeksplosion.

På sin vej rundt i Mælkevejen må Solsystemet altså være passeret igennem en støvsky efterladt af supernovaen.

Støvet dæmper Mælkevejens lys

Historisk set har støvet mellem stjernerne voldt astronomerne en del hovedbrud. Det blokerer nemlig for lyset fra stjernerne, fordi støvpartiklerne absorberer synligt lys.

På omtrent samme måde, som bittesmå vanddråber i luften kan danne tåge, der forhindrer os i at se Solen, lægger det kosmiske støv en uigennemtrængelig tåge i galaksen.

Set fra Jorden ville Mælkevejen lyse tusind gange kraftigere, hvis det ikke var for alt støvet, der spærrer for lyset.

Helt frem til 1950’erne gjorde støvskyer det umuligt for astronomerne at danne sig et overblik over Mælkevejen – dengang anede forskerne derfor ikke, at vi bor i en roterende spiralgalakse med langt over hundrede milliarder stjerner.

Først da mere avancerede radioteleskoper blev udviklet, kunne astronomerne begynde at kortlægge Mælkevejen, for radiobølger trænger igennem støvet uden problemer.

Det meste af det komiske støv holder sig til galakser, men en lille del svæver rundt i verdensrummet mellem galakserne.

Her forstyrrer det astronomernes målinger, når de prøver at studere himmellegemer, der er meget langt væk.

Lyset fra fjerne galakser og supernovaer kan godt trænge igennem de meget tynde støvskyer, men det bliver dæmpet undervejs, og derved bliver det sværere at afgøre, hvor kraftigt himmel­legemet egentlig lyser op.

Astronomer bruger netop lysstyrken til at bedømme afstanden til fjerne objekter og dermed blandt andet at måle, hvor hurtigt universet udvider sig, så udforskningen af universet vanskelig­gøres fortsat af det inter­galaktiske støv.

Mens astronomerne sukker over det komiske støv, som gør deres job besværligere, ville de omvendt ikke have nær så meget at kigge på, hvis støvet ikke var der.

Faktisk viser teoretiske modeller for stjernedannelse, at en stjerne som fx Solen aldrig kunne være dannet uden kosmisk støv.

Stjernefødsler går i stå uden støv

Stjerner dannes af en kæmpemæssig sky af gas og støv, som falder sammen under sin egen vægt.

Men i takt med at skyen kollapser, bliver den også varmere, fordi gasmolekylerne kommer tættere på hinanden og kolliderer oftere.

Mens tyngdekraften prøver at trække skyen sammen, vil molekylerne i den varme gas forsøge at komme væk fra hinanden og dermed udvide skyen.

På et tidspunkt ville sammentrækningen af skyen stoppe helt, hvis det ikke lige var for støvet.

Støvpartiklerne hjælper nemlig skyen med at komme af med varmen, idet de omdanner energien til infrarød stråling – varmestråling – som kan trænge ud af skyen og spredes ud i rummet.

Først da bliver det muligt for skyen at samle sig til en protostjerne, hvor trykket i centrum til sidst bliver højt nok til, at brint kan fusionere til helium, og stjernen antændes.

Stjernedannelsen kræver altså støv, og støvet kommer fra døde stjerner. Men det efterlader spørgsmålet om, hvordan de allerførste stjerner kunne dannes i et univers uden støv.

Her hælder astronomerne mest til, at universets første stjerner må have været giganter langt større end Solen, der blev dannet af tilsvarende større gasskyer, hvor tyngdekraften var stor nok til at overvinde det udadrettede tryk fra den varme gas.

Teleskop ser planeter blive skabt

Netop fordi stjerner dannes i midten af store skyer af gas og støv, som synligt lys ikke kan trænge igennem, er det ikke muligt at følge dannelsen af en stjerne med tilhørende planeter i et almindeligt teleskop.

Men varmt støv udsender andre former for elektromagnetisk stråling med længere bølgelængde end synligt lys – infrarød stråling og mikrobølgestråling – og de kan opfanges af det internationale observatorium ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array.

Teleskopet, der er placeret i fem kilometers højde i den chilenske Atacama­ørken, består af 66 store parabolantenner.

Med ALMA kan astronomerne ikke blot se lige igennem det kolde støv i gasskyen; de kan også zoome ind på det varme støv, der kredser omkring helt unge stjerner, og direkte se de huller, der opstår visse steder, hvor støvet samler sig og bliver til planeter.

ALMA’s observationer har bekræftet astronomernes teorier om, hvordan planeter opstår af det støv, der kredser om stjernen.

Efter at planeter og måner er dannet af kosmisk støv, opstår der en ny form for støv på klodernes overflader. På mindre kloder, der ikke har en atmosfære, bliver overfladen u­standseligt bombarderet med små meteorer.

De pulveriserer klippegrunden og ska­ber støvpartikler, der mest minder om bittesmå glasskår. Det tykke lag af meget fint støv, der dækker Månen, er opstået på den måde.

På klippeplaneter med en atmosfære opstår støvet på en anden måde. Her bliver klippegrunden stille og roligt slidt ned af vinden, så der dannes fint sand og støv.

Det sker fx på Mars, hvor vinden hvirvler støvet op og spreder det rundt på planeten. Hvert år udveksles der 2,9 milliarder tons støv mellem overfladen og atmosfæren.

I 2018 fandt geologer fra USA og Canada ud af, hvor en stor del af støvet på Mars kommer fra. Forskerne sammenlignede målinger fra forskellige marsrovere med de målinger, som satellitten Mars Odyssey, der kredser om Mars, har sendt hjem til Jorden lige siden 2001.

Marsstøvet er generelt rigt på klor og svovl, og forskerne fandt ud af, at det har samme kemiske sammensætning som en stor geologisk formation kaldet Medusae Fossae tæt på Mars’ ækvator.

Formationen er skabt af eksplosive vulkanudbrud. For mere end tre milliarder år siden spredte vulkansk aske sig over et område, der svarer til halvdelen af Europa, og lige siden har vinden slidt støvkorn af den forholdsvis bløde aflejring.

Nu er der to millioner kvadratkilometer, en femtedel af Eu­ropas areal, tilbage af Medusae Fossae, der har en gennemsnitlig tykkelse på 600 m.

Månestøv skader menneskers dna

Støvet på Månen og Mars er et stort problem for rumfarten, når det gælder udforskning og fremtidig beboelse af kloderne.

Ikke alene trænger det fine støv ind overalt og kan ødelægge rumdragter, maskiner, instrumenter og solceller, det er også en sundhedsrisiko for de astronauter, der slæber støv med ind efter at have vandret rundt i rumdragt.

Apollo-astronauterne, der gik rundt på Månen, berettede om, hvordan månestøvet fik dem til at nyse og deres øjne til at løbe i vand, og i 2018 fremlagde amerikanske forskere be­viser for, at månestøv ligefrem kan skade dna’et i menneskers celler.

Hvis mennesker skal bosætte sig på Månen og senere Mars, skal støvet forhindres i at komme med indenfor i rumkapsler og rum­stationer. Løsningen kan måske være at give astronauterne et brusebad, før de smider dragten.

Men støvet er ikke kun et problem, det er også en ressource, der kan ud­nyttes. Både på Månen og på Mars indeholder støvet fx masser af ilt, som kan udvindes ved at sende strøm igennem det.

Ved elektrolyse frigør iltatomerne sig fra de mineraler, de er bundet i. På den måde kan astronauterne forsynes med ilt, og ilten kan også anvendes til raketbrændstof. Støvet kan desuden bruges til at bygge boliger til bosætterne.

Forsøg med at forvandle simuleret måne- eller marsstøv til byggemateriale ved hjælp af 3D-printere har givet lovende resultater.

Planeterne opstod af støv, og engang bliver vores egen klode til støv igen, når Solen løber tør for brint i kernen og svulmer op som en rød kæmpestjerne og opsluger den.

Det sker om cirka fem milliarder år, og til den tid vil Solen udsende store mængder gas og støv. Støvkorn kastet ud i Mælkevejen i Solens sidste krampetrækninger kan indgå i dannelsen af nye stjerner og planeter.

Præcis som forskerne fra Chicago fandt et støvkorn, der blev udsendt af en rød kæmpestjerne for over syv milliarder år siden, vil forskere fra en fremtidig civilisation måske en dag analysere støvkorn fra Sol­systemet og skrive dets kosmiske historie.