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Auf der Suche nach außerirdischen Molekülen

Auf der Suche nach außerirdischen Molekülen

All-Chemie mit dem Radioteleskop
Astrophysiker auf der Suche nach nach extraterrestrischen Molekülen
Der Raum zwischen den Sternen ist für irdische Verhältnisse extrem lebensfeindlich. Dennoch wimmelt es in manchen Regionen nur so von großen organischen Molekülen, wie diversen Sorten von Alkoholen oder Zucker. Diese stehen im Zentrum des Interesses von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Dort studiert Karl Menten, einer der Direktoren, insbesondere ein Gebiet im Zentrum unserer Milchstraße, das die Astronomen „Heimat der großen Moleküle“ nennen.

Astronomen jubelten, als es ihnen gelang, vor drei Jahren in einer interstellaren Wolke und kurz danach auch in einem Kometen Ethylenglykol nachzuweisen. Diese Verbindung, auch als Glykol bekannt, verhindert als Frostscutzmittel das Einfrieren des Kühlwassers im Auto. Im Weltall gehört Ethylenglykol zu den komplexesten organischen Molekülen, die bis heute gefunden wurden.

Derzeit suchen mehrere Gruppen weltweit nach einer anderen Verbindung, die als Heiliger Gral der Astrochemie gilt: Glyzin, die einfachste Aminosäure. Da Aminosäuren die Grundbausteine der Proteine sind, erregten vor zweieinhalb Jahren Radioastronomen von der National Taiwan Normal University großes Aufsehen mit der vermeintlichen Entdeckung von Glyzin in einer interstellaren Wolke namens Sagittarius B2 im Zentralbereich der Milchstraße sowie in zwei weiteren Gebieten der Galaxis.

Doch das Ergebnis ist umstritten: „Wir haben dieses Resultat kürzlich mit viel empfindlicheren Beobachtungen nachgeprüft und finden keinen definitiven Hinweis auf Glyzin“, sagt Karl Menten. Und so geht die Fahndung weiter nach der Verbindung mit der chemischen Bezeichnung H2NCH2COOH. Die Suche ist extrem aufwändig, denn je komplexer ein Molekül, desto schwieriger lässt es sich nachweisen. Deshalb findet man in den Kindertagen des Fachs Astrochemie die ganz einfachen Moleküle.
Molekülfamilie mit Zuwachs
Neue Teleskope wemöglichen neue Entdeckungen
Nachdem der amerikanische Physiker und Nobelpreisträger Charles Townes im Jahr 1957 in einem visionären Artikel auf die mögliche Entdeckung von Radio- und Millimeterstrahlung von Molekülen im All hingewiesen hatte, fanden Radioastronomen in den 1960er-Jahren zunächst einfache Verbindungen: das Hydroxylradikal (OH), Ammoniak (NH3), Wasserdampf (H2O) und Kohlenmonoxid (CO). Townes, einer der Erfinder des Lasers, war auch die treibende Kraft hinter der Entdeckung von kosmischem NH3 und H2O.

Strukturmodell der Aminosäure Glyzin

Strukturmodell der Aminosäure Glyzin

Viele der am weitesten verbreiteten interstellaren Moleküle bestehen nur aus zwei oder drei Atomen, aber bald spürten die Forscher auch kompliziertere Spezies auf. So begann die organische Astrochemie 1969 mit der Entdeckung von Formaldehyd (H2CO), gefolgt 1970 von Methylalkohol (Methanol, CH3OH). Im Laufe der Jahre fand man immer komplexere Verbindungen, wie den ersten Zucker Glykolaldehyd (CH2OHCHO), Essigsäure (CH3COOH), Aceton (CH3COCH3) oder eben das interstellare Frostschutzmittel Ethylenglykol (HOCH2CH2OH). Insgesamt kennen die Astronomen heute mehr als 130 Moleküle, jedes Jahr kommen zwei bis drei neue hinzu.

Der Fortschritt in der Molekülastronomie basiert vor allem auf drei Säulen: Erstens sind große Teleskope nötig, um die schwache Strahlung zu sammeln; zweitens müssen empfindliche Detektoren die Strahlung effektiv registrieren. Und drittens benötigen die Astronomen Informationen darüber, wie sich die Moleküle überhaupt identifizieren lassen. Das ermöglichen Laborexperimente und Computerrechnungen.

Radioteleskop des IRAM

Radioteleskop des IRAM

Nachdem die ersten Moleküle im Radiobereich bei Wellenlängen von einigen Zentimetern gefunden wurden, eroberten die Forscher in den 1970er- und 1980er-Jahren mit neuen Teleskopen und Detektoren die Millimeter- und Submillimeterbereiche. Die weltweit leistungsfähigsten Instrumente in diesem Beobachtungsfenster betreibt das Institut für Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM) auf dem 2800 Meter hohen Pico Veleta bei Granada in Spanien und auf dem 2550 Meter hohen Plateau de Bure in den Hochalpen. Der Reflektor des IRAM-Teleskops hat einen Durchmesser von 30 Metern, während das Plateau de Bure-Interferometer aus sechs Radiospiegeln mit je 15 Meter Durchmesser besteht. Beide Instrumente können das Universum bei Wellenlängen zwischen 0,8 und 3 Millimetern durchmustern.

Ein Interferometer wie jenes auf dem Plateau de Bure kombiniert die einzelnen Teleskope und erzielt auf diese Weise ein Auflösungsvermögen, das dem Abstand zwischen ihnen entspricht und nicht dem Spiegeldurchmesser wie bei einem Einzelteleskop. Deshalb hat das Plateau de Bure-Interferometer ein mehr als 30-fach höheres räumliches Auflösungsvermögen als das eines 30-Meter-Teleskops. Das in Grenoble angesiedelte IRAM ist eine Kooperation der Max-Planck-Gesellschaft mit dem französischen Centre National de la Recherche Scienitfique und dem spanischen Instituto Geographico Nacional.
Neue Himmelsaugen: APEX
Aufwändige Beobachtungen und Berechnungen notwendig
Die neueste Errungenschaft, nämlich das 12-Meter-Teleskop des Atacama Pathfinder Experiment (APEX) in Chile, bildet zu dem beschriebenen Instrumentenpark die ideale Ergänzung. Es setzt den Empfindlichkeitsbereich von IRAM zu kleineren Wellenlängen bis herunter zu 0,2 Millimeter fort. Zukünftig werden das gewaltige Antennen-Array ALMA, das Flugzeugteleskop SOFIA und das Weltraumteleskop Herschel der Europäischen Weltraumorganisation ESA völlig neue Beobachtungsmöglichkeiten schaffen.

Bei allen vier Projekten ist das Max-Planck-Institut in Bonn maßgeblich am Bau der Detektoren beteiligt. Überhaupt sind die Bonner Astronomen bei der Detektorentwicklung Weltspitze. Im vergangenen Jahr wurde Karl Menten zusammen mit seinen Institutskollegen Ernst Kreysa und Frank Bertoldi mit dem Philip- Morris-Forschungspreis ausgezeichnet. Die Ehrung hatten sie für die Entwicklung von so genannten Bolometer- Array-Empfängern erhalten, mit denen eine größere Anzahl Detek toren große Flächen des Himmels simultan beobachten können, ähnlich wie Pixel einer Digitalkamera.

Der Zentralbereich der Milchstraße, aufgenommen bei 90 Zentimeter Wellenlänge

Der Zentralbereich der Milchstraße, aufgenommen bei 90 Zentimeter Wellenlänge

Solche Bolometer haben eine sehr große Bandbreite, was sie sehr empfindlich macht. Sie eignen sich aber nicht zur Beobachtung von Molekülen, denn diese emittieren nur in sehr schmalen Wellenlängenbereichen. Darüber hinaus sind sie ideal zur Registrierung der kontinuierlich mit der Wellenlänge variierenden Strahlung des interstellaren Staubs. Zusammen mit den am Max-Planck- Institut entwickelten empfindlichen Spektrallinien-Detektoren decken die Instrumente aus Bonn sämtliche wissenschaftlichen Fragestellungen der Submillimeter-Astronomie ab.

Strahlung der Moleküle
Die Molekülstrahlung nachzuweisen ist eine schwierige Aufgabe. Und sind die Daten endlich im Rechner, beginnt eine mühsame Detektivarbeit, um die einzelnen Spezies zu identifizieren. Auf welche Weise sich die Substanzen bemerkbar machen, veranschaulicht ein vereinfachendes Bild der Moleküle, in dem man sich die Atome als Kugeln vorstellt. Zwischen ihnen seien Spiralfedern gespannt, die das Molekül zusammenhalten. Stoßen Moleküle miteinander zusammen, so schwingen die Federn und somit das gesamte Molekül.

Nach den Gesetzen der Quantentheorie können Schwingungsfrequenzen jedoch nicht beliebig variieren, sondern nur bestimmte Werte annehmen. Bei jeder Schwingungsmode sendet ein Molekül Strahlung mit einer festen Frequenz aus: Im Spektrum sieht man eine Linie. Gleichzeitig kann ein Molekül bei Zusammenstößen zum Rotieren gebracht werden, wobei sich die Drehfrequenz nur in Schritten ändert. Auch bei jeder festen Rotationsfrequenz sendet das Molekül charakteristische Strahlung aus. Vom Radio- bis zum Submillimeterbereich beobachtet man überwiegend diese Rotationslinien.
Kosmische Fingerabdrücke
Spurensuche im Linien-Dschungel der Frequenzen
Jedes Molekül besitzt somit einen Fingerabdruck, der sich in einem Spektrum aufspüren lässt. Allerdings verändern sich Linienstärken mit der Temperatur und dem Druck: Je wärmer die Umgebung ist, desto mehr Linien in unterschiedlicher Stärke tauchen auf. Und je mehr Atome ein Molekül besitzt, desto mehr mögliche Strahlungsfrequenzen besitzt es – und die Intensitäten der einzelnen Linien werden immer schwächer. Das macht es letztlich so schwierig, komplexe Moleküle wie die Aminosäure Glyzin zu identifizieren.

Auf der Erde empfangen die Astronomen aus einer interstellaren Wolke eine Fülle von Strahlung bei bestimmten Frequenzen, die viele Molekülsorten bei unterschiedlichen Schwingungs- und Rotationsmoden ausgesandt haben. Die Liniensysteme können sich auch noch überlappen, was die Datenauswertung zusätzlich erschwert.

Fingerabdruck auf Handball
Radiobild einer Molekülwolke (oben) und Spektren des Kohlenmonoxidmoleküls (unten)

Radiobild einer Molekülwolke (oben) und Spektren des Kohlenmonoxidmoleküls (unten)

Die Identifikation der Ingredienzien der kosmischen Chemieküche ist nun vergleichbar mit dem Versuch, auf einem Handball nach dem Spiel einen speziellen Fingerabdruck zu finden. Überall auf der Welt ermitteln Physiker in Laborexperimenten die Frequenzen, bei denen Moleküle strahlen können. Karl Menten profitierte hier insbesondere von einer jahrzehntelangen Zusammenarbeit mit dem Spektroskopie-Laboratorium des Kölner Observatoriums für Submillimeter-Astronomie (KOSMA) am I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln.

„Die nahezu einmalige Kombination von Laborspektroskopie, instrumenteller Entwicklung und direkter Anwendung in astrophysikalischen Fragestellungen hat in den vergangenen Jahren im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereichs 494 gezeigt, wie erfolgreich ein solcher Ansatz sein kann“, sagt Menten.

Die Zusammenarbeit führte in der Vergangenheit häufiger zu Entdeckungen neuer, im interstellaren Medium bis dahin unbekannter Molekülsorten. Darunter waren so exotische Varianten wie 13C17O (seltene Isotope), SiN, Kohlenstoffketten wie HCCCN sowie FeO, die erste metallhaltige Verbindung. Der jüngste Fund ist das extrem exotische Fluoromethylidinium- Ion (CF+), das gerade in einer konzertierten Aktion von APEX und IRAM identifiziert wurde.

Suche nach „Lieblingsmolekül
Mentens derzeitiges Lieblingsmolekül, das er unbedingt nachweisen möchte, ist Amino-Aceto-Nitril (NH2CH2CN). Es bildet eine chemische Vorstufe der Aminosäure Glyzin und wäre somit schon ganz nahe dran am Heiligen Gral. Vielleicht haben die Bonner dieses Molekül sogar schon gefunden, ohne es aber eindeutig beweisen zu können. So haben sie in Richtung des Kerns von einer dichten Wolke nahe dem Zentrum der Milchstraße ein Spektrum bei etwa drei Millimeter Wellenlänge aufgenommen. Es zeigt rund 3600 Moleküllinien.

„Etwas mehr als die Hälfte der Linien in diesem Dschungel konnten wir 48 Molekülsorten und etwa 60 isotopischen Varianten zuordnen“, erklärt der Max-Planck- Direktor. Der Rest hat sich bislang erfolgreich gegen einen eindeutigen Nachweis gewehrt.
Die „große Molekülheimat“
Komplexe Moleküle in dichten Wolken
Amino-Aceto-Nitril hat insgesamt um die 50 Linien im durchmusterten Bereich bei drei Millimeter, von denen 14 relativ zuverlässig von Linien anderer Molekülsorten getrennt werden können. Seine Identifizierung wird schon als wahrscheinlich eingestuft, da alle Linienstärken durch einen einzigen Wert von Temperatur und Häufigkeit reproduziert werden könnten. Um endgültig sicher zu gehen, bedarf es aber noch eines weiteren Schritts: Mit dem Interferometer muss gezeigt werden, dass alle diese Kandidatenlinien aus demselben Volumen einer Wolke stammen. Selbst auf Skalen von weniger als einem Lichtjahr ist nämlich die Chemie derart differenziert, dass etwa Emmission von CH3OH von einem anderen Teilwölkchen kommen mag als solche von NH2CH2CN.

Heimat in Sagittarius B2
Der noch nicht gänzlich gesicherte Nachweis von Amino-Aceto-Nitril gelang in dem molekülträchtigsten Gebiet der Milchstraße, der Large Molecule Heimat („Heimat der großen Moleküle“). Es gehört zu der Riesenmolekülwolke Sagittarius B2, die eines der aktivsten Sternentstehungsgebiete unserer Galaxis beherbergt und etwa 400 Lichtjahre vom galaktischen Zentrum entfernt liegt.

Sagittarius B2

Sagittarius B2

Den ungewöhnlichen Namen kreierte der amerikanische Astronom Lewis Snyder von der University of Illinois aus Stolz auf seine deutsche Herkunft. Snyder ist ein Astrochemiker der ersten Stunde, die Entdeckung von Formaldehyd und vieler anderer Moleküle geht auf sein Konto. Er verbrachte das Jahr 1984 als Humboldt- Forschungspreisträger am Bonner Max-Planck-Institut, wo er Karl Menten – der dort gerade seine Doktorarbeit begann – zu einer Karriere in der Molekülastronomie inspirierte. Komplexe Moleküle finden sich im Innern dichter Wolken aus Gas und Staub. Dort werden auch neue Sterne geboren, wenn sich die Materie aufgrund der Schwerkraft zusammenballt.

Rätsel der kosmischen Chemie
Während des vergangenen Jahrzehnts entdeckten Astronomen immer mehr komplexe Moleküle in unmittelbarer Umgebung extrem leuchtkräftiger, junger Sterne. Zwar sprechen die Forscher von sehr dichten Wolkenkernen, aber nach irdischen Maßstäben handelt es sich um extrem gute technische Vakua. Interstellare Wolken haben typische Dichten von 10 hoch 2 bis 10 hoch 7 Teilchen pro Kubikzentimeter.

Im Vergleich dazu finden sich in einem Kubikzentimeter Luft 10 hoch 19 Moleküle. Selbst in den dichtesten Nebeln ist die Dichte also Billionen Mal geringer als in unserer Atmosphäre. Atome und Moleküle stoßen deshalb sehr selten zusammen. Den Astronomen war daher schon bald klar, dass komplexe Moleküle nicht in großen Mengen in der Gasphase entstehen. Wie aber funktioniert die kosmische Chemie dann?

Heute nimmt man an, dass die Oberflächen der Staubpartikel die chemischen Fabriken bilden. Atome und Moleküle treffen zufällig auf die Partikel, haften an der Oberfläche und beginnen umherzuwandern. Stoßen sie dabei auf ein anderes Atom oder Molekül, so kann es zu einer chemischen Reaktion kommen. Auf diese Weise entstehen nach und nach organische Verbindungen. Sobald im Innern der Wolke irgendwo ein neuer Stern aufleuchtet, heizt er seine Umgebung auf – und die Moleküle verdampfen von der Stauboberfläche. Jetzt sind sie in der Gasphase, wo sie sich spektroskopisch nachweisen lassen.
Chemie auf staubigem Grund
Spurensuche in interstellaren Staubwolken
Die Existenz komplexer, organischer Moleküle im Weltraum hat immer wieder die Fantasie von Wissenschaftlern und Sciencefiction-Autoren beflügelt. Vielen erscheint die Vermutung, das Leben sei aus dem Weltall auf die Erde gekommen, gar nicht so abwegig, zumal die Moleküle nach heutigem Wissen schon bei der Entstehung unseres Sonnensystems vorhanden waren und als Rohmaterial für unsere Erde zur Verfügung standen.

Ein 500 Megahertz breiter Ausschnitt des Dschungels von Moleküllinien in der „Heimat
der großen Moleküle“.

Ein 500 Megahertz breiter Ausschnitt des Dschungels von Moleküllinien in der „Heimat der großen Moleküle“.

So beobachten die Astronomen in Kometen – von der Geburt des Sonnensystems übrig gebliebenen Resten des Urnebels – die gleiche molekulare Zusammensetzung wie in interstellaren Wolken. Insbesondere entdecken die Forscher in ihnen große Mengen von Wasser, Methanol und sogar Ethylenglykol. Dennoch folgt hieraus nicht zwangsläufig, dass die Wurzeln des irdischen Lebens im Weltall liegen. Zum einen sollten auch auf der Ur- Erde günstige Bedingungen für die Entstehung beispielsweise von Aminosäuren geherrscht haben.

„Zum anderen ist es ein gewaltiger Schritt von Aminosäuren zu Proteinen, und von dort ist es noch einmal ein riesiger Schritt zur Entstehung von Einzellern und ein vielleicht noch größerer zu komplexen Lebensformen“, sagt Karl Menten. Die Frage, wo sich die Vorläufer des Lebens gebildet haben, wird sich vielleicht nie beantworten lassen. Unabhängig davon gehört die Entschlüsselung des verzweigten Netzes der interstellaren organischen Chemie mit zu den faszinierendsten Aufgaben der Astrophysik.

Moleküle als Informanten
Moleküle sind aber nicht nur für sich interessant, sondern werden von Astronomen auch schon seit langem als „Informanten“ benutzt. Der Grund wurde bereits angedeutet: Die Intensität von Spektrallinien hängt von den physikalischen Gegebenheiten ab, etwa Druck und Temperatur, sowie von der Strahlungsintensität umgebender Sterne. Außerdem lässt sich an einer möglichen Dopplerverschiebung von Linien die Geschwindigkeit des Gases ermitteln. Damit ergibt sich die einzigartige Möglichkeit, aus den Eigenschaften der Moleküllinien in einem Spektrum die Bedingungen in Sternentstehungsgebieten zu studieren.

Ausgerechnet die mit Abstand häufigste Molekülsorte, der molekulare Wasserstoff (H2), eignet sich hierfür jedoch gar nicht, weil er unter den im kühlen interstellaren Gas herrschenden Bedingungen keine beobachtbare Strahlung aussendet. Die Astronomen nutzen deshalb schon seit langem andere Substanzen wie Kohlenmonoxid oder Ammoniak (NH3) als Tracer. Allerdings ist eine einzige Molekülsorte im Allgemeinen als Allrounddetektor nicht gerade ideal: Symmetrische Verbindungen, zu denen Ammoniak zählt, reagieren empfindlich auf Temperaturunterschiede, während lineare Moleküle (etwa CS) auf Druckunterschiede reagieren.

Wegen der komplexen interstellaren Chemie befinden sich diese Substanzen aber nicht unbedingt im selben Bereich einer Wolke, sodass man mit zwei Molekülsorten Druck und Temperatur für unterschiedliche Gebiete bestimmt. Wünschenswert wäre ein Molekül, das beide Eigenschaften in sich vereint. Das glauben Menten und seine Gruppe in dem leicht asymmetrischen Methanol (CH3OH) gefunden zu haben.
Methanol als Schlüssel-Molekül?
Linienspektrum als Hilfsmittel der Astrophysiker
Methanol ist schon seit langem im Weltraum bekannt – Karl Menten hat darüber 1987 promoviert. Es würde sich im Prinzip hervorragend als Tracer eignen, weil es in einem weiten Bereich von Temperaturen und Drücken in den verschiedensten Arten von Molekülwolken existiert. Jedoch ließ es sich bisher nicht verwenden, weil die Berechnung der Raten, mit denen seine Energiezustände durch Stöße angeregt werden, auf unüberwindliche Schwierigkeiten stieß. Dies ist seit kurzer Zeit anders.

Fortschritte in der Quantenchemie und Computertechnologie haben es Forschern der englischen Universität Durham ermöglicht, die so genannten Stoßanregungsraten für unterschiedliche Temperaturen zu berechnen, während die Kölner Gruppe die zugehörigen Frequenzen der Linien im Labor ermittelt hat. Mentens Mitarbeiterin Silvia Leurini hat im Rahmen ihrer Dissertation mit diesen neuen Daten ein physikalisches Modell entwickelt, das die Bedingungen in Molekülwolken simuliert und die zu erwartenden Linienstärken für einen großen Parameterbereich vorhersagt.

Das Ergebnis war sehr ermutigend: Demnach reagieren die Methanol-Linien im Millimeterbereich besonders empfindlich auf den Druck, während andere Linien im Submillimeterbereich die Temperatur anzeigen. Beide Liniensysteme stammen von denselben Molekülen im selben Gebiet, und mit IRAM und APEX haben die Astronomen die besten Teleskope, um die Methanolspektren in diesen beiden atmosphärischen Fenstern aufzuzeichnen.

„So viel Spaß es auch macht, ein neues Molekül als Erster zu entdecken: Molekülastronomie ist kein Briefmarkensammeln, sondern sehr interessante und auch nützliche Astrophysik“, sagt Menten.
(Thomas Bührke / MaxPlanckForschung,02.03.2006)