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Weltraumchemie im Speicherring
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik
astronews.com
31. März 2016
Physiker haben jetzt erstmals das im Weltraum häufige Molekülion CH+ unter
interstellaren Bedingungen im neuen ultrakalten Speicherring des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik untersucht.
Dabei wurden theoretische Modelle bestätigt. Die Forscher hoffen, durch diese
und weitere Experimente mehr über die Entstehung von Molekülen im All erfahren
zu können.
Der ultrakalte Speicherring CSR am
Max-Planck-Institut für Kernphysik kurz vor dem
Abkühlen. Fotos:
Max-Planck-Institut für Kernphysik [Großansicht] |
Die organische Chemie interstellarer Molekülwolken ist eines der spannendsten
Forschungsgebiete der Astronomie, da viele Beobachtungen noch Rätsel aufgeben
und die Entstehung des Lebens auf der Erde möglicherweise eng mit der Bildung
biologisch relevanter Moleküle im Weltraum verknüpft ist. Diese Prozesse spielen
sich viele Lichtjahre entfernt ab und entziehen sich damit einer kontrollierten
Untersuchung.
Deshalb sind Astrophysiker auf deren theoretische Modellierung
angewiesen. Das Bindeglied stellt die Laborastrophysik dar, welche es erlaubt,
Reaktionen der vorgefundenen Spezies im Labor unter Weltraumbedingungen
nachzustellen. Die so gewonnenen Resultate lassen sich mit den astronomischen
Beobachtungen vergleichen und erlauben einen direkten Test der theoretischen
Beschreibung.
Zur Untersuchung von kosmischen Molekülionen steht am Heidelberger
Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) seit kurzem der neue ultrakalte
Speicherring CSR (Cryogenic Storage Ring) zur Verfügung. Diese weltweit größte
Anlage ihrer Art mit einem Umfang von 35 Metern lässt sich auf eine Temperatur von
ca. –265 Grad Celsius, also wenige Grad über den absoluten Nullpunkt abkühlen und im
Inneren ein extremes Ultrahochvakuum von weniger als 10–13 mbar
realisieren, das ist um das Zehn-Billiardenfache geringer als der normale
Luftdruck.
Damit werden die Bedingungen interstellarer Wolken wie niedrige
Temperatur und sehr geringe Dichte erreicht, und das sehr gute Vakuum ermöglicht
es, die Ionen mit geringen Verlusten durch Stöße mit Restgasmolekülen über
längere Zeit bis zu mehreren Stunden zu speichern. Zu den wichtigsten Prozessen in interstellaren Wolken zählen sowohl Kollisionen
von Molekülen bzw. Molekülionen untereinander als auch mit freien Elektronen
sowie die Wechselwirkung mit ultraviolettem (UV) Licht, das von benachbarten
Sternen ausgestrahlt wird. Um diese im Detail zu studieren, ist der CSR mit
einer entsprechenden Instrumentierung ausgerüstet.
Die Mitglieder der CSR-Kollaboration untersuchten nun das
Zerbrechen des Molekülions CH+ durch UV-Licht. CH+ war das erste kosmische Molekülion, das 1941 spektroskopisch
identifiziert wurde. Es besteht aus einem Kohlenstoff- und einem
Wasserstoffatom, wobei aber ein Elektron fehlt. Das recht häufige Vorkommen von
CH+ im diffusen interstellaren Medium ist dabei bis heute rätselhaft:
Eigentlich sollte es durch Kollisionen mit Wasserstoff rasch zerstört werden,
und es ist unbekannt, wie es in einer so kalten Umgebung effizient neu gebildet
wird.
Ein Puzzleteil ist die Photodissoziation von CH+, wobei das
Molekül nach Absorption eines UV-Lichtquants in ein einfach geladenes
Kohlenstoffion (C+) und ein neutrales Wasserstoffatom (H) aufbricht.
Hierzu wird auf einer geraden Strecke im Speicherring der Ionenstrahl in spitzem
Winkel mit einem UV-Laserstrahl überlagert. Zum Nachweis dienen die in der
Reaktion freigesetzten H-Atome. In der nächsten Kurve des Rings, wo die Ionen
elektrisch abgelenkt werden, fliegen sie geradeaus auf einen Detektor.
"Wir
haben die Zahl der H-Atome in Abhängigkeit von der Energie des UV-Lichts und der
Speicherzeit gemessen", erläutert Aodh O'Connor vom Max-Planck-Institut für
Kernphysik in Heidelberg. "Besonders interessant ist der Bereich der
Dissoziationsschwelle, also der minimalen Energie, die zum Aufbruch der
chemischen Bindung benötigt wird. Steckt im Molekül noch Rotationsenergie, so
ist die Schwelle um diesen Betrag abgesenkt, und wir können verfolgen, wie das
anfänglich heiße und heftig rotierende CH+ im Ring abkühlt."
Nach
etwa einer Minute Speicherzeit sind nur noch die beiden niedrigsten
Rotationszustände besetzt und nach vier Minuten rotieren60 Prozent der Moleküle gar
nicht mehr. Dies entspricht einer Temperatur von etwa 20 Grad über dem absoluten
Nullpunkt.
Unterstützt wurde die Auswertung durch theoretische Rechnungen zur
Photodissoziation nahe der Schwelle. Die Wahrscheinlichkeit für den photochemischen Aufbruch ist hier bei
bestimmten Energien durch Resonanzen deutlich erhöht und hängt empfindlich von
der Struktur der Elektronenhülle des Moleküls ab. Die Rechnungen wurden für die
einzelnen Rotationszustände durchgeführt und stimmen mit den experimentellen
Resultaten sehr gut überein.
Dies erlaubt nicht nur, den Kühlvorgang des
Moleküls zu verfolgen, sondern liefert auch ein besseres Verständnis der
Struktur von CH+. Dies kann relevant sein für verbesserte Rechnungen
zum umgekehrten Prozess der radiativen Assoziation von C+ und H zu CH+
und Aussendung eines UV-Quants – ein möglicher Mechanismus zur Bildung von CH+
bei interstellaren Temperaturen.
"Unser Experiment zeigt, dass sich mit dem CSR molekulare Reaktionen unter
Weltraumbedingungen untersuchen lassen", sagt Holger Kreckel vom
Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg mit Blick auf das
Potential dieses neuen Großgeräts für zukünftige Studien. Hierzu zählt der
Einfang von Elektronen in Mokekülionen, wozu momentan ein neues Elektronentarget
in den Ring eingebaut wird.
Ein weiteres Thema sind Stöße von geladenen Molekülionen und neutralen Atomen. Diese spielen eine große Rolle in der
interstellaren Chemie, sind aber experimentell noch wenig untersucht.
Über ihre Untersuchungen berichteten die Forscher in einem Fachartikel, der in der
Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.
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