Galaksens historie er skrevet i støv

I solsystemet vrimler det av rester av stjerner som brant ut og spredte støv og gass i galaksen for milliarder av år siden – men først nå står astronomene med et konkret bevis for det: Forskere fra det naturhistoriske Field Museum og The University of Chicago har hentet ut det lille støvkornet av
Murchison-meteoritten, og i januar 2020 offentliggjorde de oppdagelsen av at det er over sju milliarder år gammelt.

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

Dateringen har vakt oppmerksomhet fordi det mikroskopiske støvkornet er det absolutt eldste materialet forskerne har klart å datere.

Støvkornet er med på å skrive Melkeveiens historie – en historie om stjerner og planeter som aldri hadde blitt til uten dette støvet.

Romstøv ligger i vinduskarmen

Når astronomer snakker om støv, mener de ikke hybelkaniner. Men kosmisk støv finnes også i det støvet som legger seg i vinduskarmene våre, men partiklene er mindre enn sandkorn og måles i tusendeler og milliondeler av en millimeter.

De består typisk av grunnstoffene oksygen, silisium, magnesium, karbon og jern – omtrent som jordskorpen – men kan også være sotpartikler av rent karbon som de som blir sendt opp med røyken fra et stearinlys.

Hvert eneste døgn blir jorden truffet av 43 tonn romstøv som stammer fra utbrente stjerner.

Faktisk består alt i naturen omkring oss av atomer som, akkurat som støvkornet fra Murchison-meteoritten, ble dannet i stjernene en gang for milliarder av år siden.

Bare de aller letteste grunnstoffene ble dannet ved big bang – gassene hydrogen og helium samt en liten smule litium.

Men i sentrum av stjerner kunne de lette grunnstoffer smelte sammen til stadig tyngre atomer, og på den måten er de grunnstoffene som jorden og vi selv består av, blitt dannet.

Selv om stort sett allting i bunn og grunn er stjernestøv, er det imidlertid ekstremt vanskelig å finne støvkorn som er eldre enn jorden.

Det skyldes at det indre av solsystemet ble oppvarmet av den unge solen, slik at støvet smeltet og endret form.

Etter kort tid var jordkloden dekket av et stort hav av lava, og senere har vulkanutbrudd og kontinentaldrift bidratt til å endre på sammensetningen av det opprinnelige materialet.

Jorden er riktignok bygget av stjernestøv, men det meste av det er forvandlet til det ugjenkjennelige.

Babyboom i Melkeveien før solen

For å finne kosmisk støv på jorden må forskerne lete etter noe som er ankommet nylig, som det var tilfellet med Murchison-meteoritten.

Forskerne knuste en del av romsteinen og analyserte innholdet ved hjelp av massespektroskopi, en metode som bestemmer de enkelte atomenes masse.

Dermed isolerte de et støvkorn av materiale som umulig kunne være dannet på jorden, og bestemte alderen av dette. Mens støvkornet svevet rundt i verdensrommet, ble det utsatt for kosmisk stråling som forvandlet noen av atomene til neon.

Ved å måle mengden neon med ekstrem presisjon kunne forskerne derfor se hvor lenge støvet streifet om på egen hånd.

I tillegg til det mer enn sju milliarder år gamle støvkorn fant forskerne flere andre støvkorn i Murchison-meteoritten som også ser ut til å stamme fra utbrente stjerner, men ikke er like gamle.

De fleste har mellom 4,6 og 4,9 milliarder år på baken, så de må stamme fra stjerner som holdt på å brenne ut like før solsystemet oppsto.

Teoretiske modeller for stjerners utvikling forteller forskerne at silisiumkarbid, som støvkornene består av, først og fremst dannes av stjerner med en levetid på litt over to milliarder år.

Det vil si at de stjernene som leverte mesteparten av støvkornene, ble dannet for om lag sju milliarder år siden.

Støvkornene forteller derfor astronomene at det trolig var en boom i stjernedannelsen i galaksen vår på det tidspunktet.

Astronomer diskuterer derfor om nye stjerner dannes i en konstant takt, eller om det er variasjoner i aktiviteten, og analysen av Murchison-meteoritten tyder altså på at det kanskje er perioder med høyere aktivitet.

Kosmisk støv dannes ikke bare i dødskrampene fra mellomstore stjerner, som det var tilfellet for støvkornene i Murchison-meteoritten.

De aller største stjernene dør som supernovaer i gigantiske eksplosjoner, og det produserer enorme mengder støv som kastes ut i verdensrommet.

Det fant astronomer fra universitetene i Aarhus og København bevis for i 2014 etter å ha observert restene av supernovaen SN 2010jl gjennom to og et halvt år.

Ved hjelp av et spesielt instrument som er koblet til Very Large Telescope i Chile, kunne de se hvordan det løpende ble dannet støv av restene av den store stjernen.

Etter de 868 døgnene der astronomene studerte stjernen, hadde den dannet nok støv til å skape 830 jordkloder.

Restene av kjempestjernene som eksploderer kan også finne veien helt til jorden. I 2019 fant tyske forskere støv fra en supernova da de analyserte 20 år gammel snø fra Antarktis.

Her oppdaget de nemlig jern av en spesielt radioaktiv type som kalles jern 60, som bare kan være dannet i en supernovaeksplosjon.

På sin vei rundt i Melkeveien må solsystemet altså ha passert gjennom en støvsky etterlatt av supernovaen.

Støvet demper Melkeveiens lys

Historisk sett har støvet mellom stjernene skapt mye hodebry for astronomene. Det blokkerer nemlig for lyset fra stjernene fordi støvpartiklene absorberer synlig lys.

På omtrent samme måte som bitte små vanndråper i luften kan danne tåke som forhindrer oss i å se solen, legger det kosmiske støvet en ugjennomtrengelig tåke i galaksen.

Sett fra jorden ville Melkeveien lyse tusen ganger kraftigere hvis det ikke var for alt støvet som sperrer for lyset.

Helt fram til 1950-tallet gjorde støvskyer det umulig for astronomene å danne seg et overblikk over Melkeveien – den gang ante forskerne derfor ikke at vi bor i en roterende spiralgalakse med langt over hundre milliarder stjerner.

Først da mer avanserte radioteleskoper ble utviklet, kunne astronomene begynne å kartlegge Melkeveien, for radiobølger trenger gjennom støvet uten problemer.

Det meste av det komiske støvet holder seg til galakser, men en liten del svever rundt i verdensrommet mellom galaksene. Her forstyrrer det astronomenes målinger når de prøver å studere himmellegemer som er veldig langt unna.

Lyset fra fjerne galakser og supernovaer kan godt trenge gjennom de veldig tynne støvskyene, men det blir dempet underveis, og dermed blir det vanskeligere å avgjøre hvor kraftig himmellegemet egentlig lyser.

Astronomer bruker nettopp lysstyrken til å bedømme avstanden til fjerne himmellegemer og dermed blant annet å måle hvor raskt universet utvider seg, så utforskningen av universet vanskeliggjøres fortsatt av det intergalaktiske støvet.

Selv om astronomene sukker over det komiske støvet som gjør jobben deres vanskeligere, ville de ikke ha så mye så mye å se på hvis støvet ikke var der.

Faktisk viser teoretiske modeller for stjernedannelse at en stjerne som for eksempel solen aldri kunne være dannet uten kosmisk støv.

Stjernefødsler går i stå uten støv

Stjerner dannes av en enorm sky av gass og støv som faller sammen under sin egen vekt. Men i takt med at skyen kollapser, blir den også varmere fordi gassmolekylene kommer nærmere hverandre og kolliderer oftere.

Mens tyngdekraften prøver å trekke skyen sammen, vil molekylene i den varme gassen forsøke å komme seg vekk hverandre og dermed utvide skyen.

Før eller senere ville sammentrekningen av skyen stoppe helt hvis det ikke var for støvet.

Støvpartiklene hjelper nemlig skyen med å kvitte seg med varmen, ettersom de gjør energien om til infrarød stråling – varmestråling – som kan trenge ut av skyen og spres ut i verdensrommet.

Først da blir det mulig for skyen å samle seg til en protostjerne, der trykket i sentrum til slutt blir høyt nok til at hydrogen kan fusjonere til helium, og stjernen antennes.

Stjernedannelsen krever altså støv, og støvet kommer fra døde stjerner. Men det fører til spørsmålet om hvordan de aller første stjernene kunne dannes i et univers uten støv.

Her heller astronomene mest til at universets første stjerner må ha vært giganter, mye større enn solen, som ble dannet av tilsvarende større gasskyer, der tyngdekraften var sterk nok til å overvinne det utadrettede trykket fra den varme gassen.

Teleskop ser planeter bli skapt

Nettopp fordi stjerner dannes i midten av store skyer av gass og støv, som synlig lys ikke kan trenge gjennom, er det ikke mulig å følge dannelsen av en stjerne med tilhørende planeter i et vanlig teleskop.

Men varmt støv sender ut andre former for elektromagnetisk stråling med lengre bølgelengde enn synlig lys – infrarød stråling og mikrobølgestråling – og de kan fanges opp av det internasjonale observatoriet ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter array.

Dette teleskopet, som er plassert i fem kilometers høyde i den chilenske Atacamaørkenen, består av 66 store parabolantenner.

Med ALMA kan astronomene ikke bare se tvers gjennom det kalde støvet i gasskyen; de kan også zoome inn på det varme støvet som kretser omkring om unge stjerner, og se de hullene som oppstår visse steder der støvet samler seg og blir til planeter.

ALMAs observasjoner har bekreftet astronomenes teorier om hvordan planeter oppstår av det støvet som går i bane rundt stjernen.

Etter at planeter og måner er dannet av kosmisk støv, oppstår det en ny form for støv på klodenes overflater. På mindre kloder, som ikke har en atmosfære, blir overflaten hele tiden bombardert med små meteorer.

De pulveriserer steingrunnen og skaper støvpartikler som minner om bitte små glasskår. Det tykke laget av veldig fint støv som dekker månen, har oppstått på den måten.

På steinplaneter med en atmosfære oppstår støvet på en annen måte. Her blir stein stille og rolig slitt ned av vinden, slik at det dannes fin sand og støv.

Det skjer for eksempel på Mars, der vinden virvler støvet opp og sprer rundt det på planeten. Hvert år utveksles det 2,9 milliarder tonn støv mellom overflaten og atmosfæren.

I 2018 fant geologer fra USA og Canada ut hvor en stor del av støvet på Mars kommer fra. Forskerne sammenlignet målinger fra ulike Mars-rovere med de målingene som satellitten Mars Odyssey, som går i bane rundt Mars, har sendt hjem til jorden helt siden 2001.

Mars-støvet inneholder mye klor og svovel, og forskerne fant ut at det har samme kjemiske sammensetning som en stor geologisk formasjon som kalles Medusae Fossae tett like ved planetens ekvator.

Formasjonen er skapt av eksplosive vulkanutbrudd. For mer enn tre milliarder år siden spredte vulkansk aske seg over et område som svarer til halvparten av Europa, og siden den gang har vinden slitt støvkorn av den forholdsvis myke avleiringen.

Nå er det to millioner kvadratkilometer, en femtedel av Europas areal, igjen av Medusae Fossae, som har en gjennomsnittlig tykkelse på 600 meter.

Månestøv skader DNA

Støvet på månen og Mars er et stort problem for romfarten, når det gjelder utforskning og framtidig bosetning av klodene.

Ikke bare trenger det fine støvet inn overalt og kan ødelegge romdrakter, maskiner, instrumenter og solceller, det er også en helserisiko for de astronautene som sleper med seg støv inn etter å ha vandret rundt i romdrakt.

Apollo-astronautene som gikk rundt på månen, fortalte om hvordan månestøvet fikk dem til å nyse og øynene til å renne, og i 2018 la amerikanske forskere fram beviser for at månestøv rett og slett kan skade DNA-et i menneskers celler.

Hvis mennesker skal bosette seg på månen og senere Mars, må vi kunne hindre at støvet kommer inn i romkapsler og romstasjoner.

Løsningen kan kanskje være å gi astronautene en dusj før de tar av seg drakten.

Men støvet er ikke bare et problem, det er også en ressurs som kan utnyttes. Både på månen og på Mars inneholder støvet for eksempel massevis av oksygen, som kan utvinnes ved å sende strøm gjennom det.

Ved elektrolyse frigjør oksygenatomene seg fra de mineralene de er bundet i. Dermed kan astronautene forsynes med oksygen, og oksygenet kan også brukes til rakettdrivstoff. Støvet kan dessuten brukes til å bygge boliger til bosetterne.

Forsøk med å forvandle simulert måne- eller Mars-støv til bygningsmateriale ved hjelp av 3D-printere har gitt lovende resultater.

Planetene oppsto av støv, og en gang blir vår egen klode til støv igjen, når solen går tom for hydrogen i kjernen og svulmer opp som en rød kjempestjerne og sluker den.

Det skjer om om lag fem milliarder år, og da vil solen sende ut store mengder gass og støv. Støvkorn kastet ut i Melkeveien i solens siste krampetrekninger kan inngå i dannelsen av nye stjerner og planeter.

Akkurat som forskerne fra Chicago fant et støvkorn som ble sendt ut av en rød kjempestjerne for over sju milliarder år siden, vil forskere fra en framtidig sivilisasjon kanskje en dag analysere støvkorn fra solsystemetet og skrive dets kosmiske historie.