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ASTRO/116: Der Himmel auf Erden (MaxPlanckForschung)


MaxPlanckForschung - Das Wissenschaftsmagazin der Max-Planck-Gesellschaft 4/2009

Der Himmel auf Erden

Von Thomas Bührke


Den Himmel ins Labor holen, das geht schwer. Im Labor den Himmel aufbauen, das ist schon einfacher. Forscher um Andreas Wolf tun genau das. Am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik stellen sie chemische Reaktionen nach, die sich in weit entfernten interstellaren Wolken abspielen.


Seit rund 20 Jahren läuft am Max-Planck-Institut für Kernphysik der Testspeicherring TSR: eine Art Rennbahn mit 55 Meter Umfang, auf der geladene Teilchen von Magneten geführt herumrasen. Verglichen mit seinen großen Brüdern, etwa dem neuen Superbeschleuniger LHC am europäischen Teilchenlabor in Genf, nimmt sich der TSR bescheiden aus. Dennoch gehört er beileibe nicht zum alten Eisen - ganz im Gegenteil. Mit geschickter Technik ausgestattet liefert die Anlage nach wie vor exzellente Messdaten.

So haben Heidelberger Physiker am Testspeicherring vor wenigen Jahren Einsteins Relativitätstheorie mit unerreichter Präzision geprüft (MaxPlanckForschung 1/2004, Seite 20 ff.). Und seit einer Reihe von Jahren dient der TSR der Arbeitsgruppe von Andreas Wolf auch einem ganz anderen Ziel: dem Studium chemischer und physikalischer Reaktionen, die im Weltraum zur Entstehung von Molekülen führen.

Die produktivsten Chemieküchen im All sind riesige Wolken aus Gas und Staub. Auf Fotos machen sie einen sehr dichten Eindruck: Sie scheinen undurchdringlich und verschlucken das Licht hinter ihnen stehender Sterne. Dennoch sind die Dichten mit durchschnittlich 10000 Teilchen pro Kubikzentimeter viel geringer als in einem Reinstraumlabor auf der Erde. Es ist die enorme Ausdehnung der Wolken von mehreren Lichtjahren, die sie für Licht opak macht.


Moleküle als Geburtshelfer der Sterne

Diese Gas- und Staubwolken sind die Geburtsstätten von Sternen und die Produktionsfabriken von Molekülen. In den vergangenen Jahrzehnten haben Astronomen dort eine Reihe von Molekülen entdeckt. Rund 150 Spezies kennen sie heute, angefangen von einfachen Verbindungen wie dem Hydroxylradikal (OH), Wasser (H2O) und Kohlenmonoxid (CO) bis hin zu komplexen organischen Stoffen wie dem Zucker Glykolaldehyd (CH2OHCHO) oder Ethylenglykol (HOCH2CH2OH). Die Suche nach Glycin, die einfachste Aminosäure und eine der Grundbausteine der DNA, läuft weltweit auf Hochtouren.

Die interstellaren Moleküle greifen auf unterschiedliche Weise in das kosmische Geschehen ein. So wird etwa bei der Entstehung vieler Moleküle Energie in Form von Strahlung frei und ins All abgeführt. Dadurch kühlt sich die Wolke ab und zieht sich weiter zusammen. Dieser Vorgang ist nötig, damit sich die Materie letztlich bis zu Sternen zusammenballen kann. Nicht zuletzt stellt sich auch die Frage, ob die organischen Moleküle ursächlich etwas mit der Entstehung des Lebens auf der Erde zu tun hatten.

Moleküle können im Weltall auf zwei Wegen entstehen: Zum einen setzen sich Atome und Moleküle auf Staubteilchen ab und reagieren dort mit anderen Atomen. Zum anderen stoßen diese Teilchen im freien Raum zusammen und lagern sich aneinander. "Diese Reaktionen in der Gasphase untersuchen wir mit dem Speicherring", sagt Andreas Wolf.

Auf den ersten Blick scheint die Idee paradox. In den Molekülwolken herrschen Temperaturen um zehn Kelvin (minus 263 Grad Celsius), sodass sich die Atome und Moleküle dort sehr langsam bewegen. Im TSR kreisen die Teilchen jedoch mit rund 20000 Kilometer pro Sekunde, entsprechend rund sieben Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Deswegen bedarf es eines Tricks, um bestimmte interstellare Reaktionen im TSR nachzustellen.

In den Speicherring gelangen positiv geladene Ionen, also Atome oder Moleküle, die aus ihrer Hülle ein Elektron verloren haben. In einem Teilstück des Speicherrings befindet sich ein sogenannter Elektronenkühler. Hier werden von außen Elektronen mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit eingespeist. Sie begleiten den Ionenstrahl über knapp zwei Meter hinweg und werden dann wieder aus der Rennbahn herausgelenkt. In diesem Elektronenbad stoßen die Teilchen zusammen und beeinflussen sich durch ihre elektrischen Kräfte.

Als Folge hiervon werden Ionen, die schneller sind als die Elektronen, abgebremst und langsamere beschleunigt. Dadurch nähern sich die Geschwindigkeiten aller Teilchen einander an. Das geschieht bei jedem Umlauf, also mehrere hunderttausend Mal pro Sekunde, bis schließlich alle Elektronen und Ionen fast gleich schnell sind.


Ein kalter Strahl aus hundert Millionen Ionen

Setzt man sich in Gedanken auf eines der Ionen, so scheinen sich die umgebenden Elektronen kaum zu bewegen. Dasselbe Phänomen erlebt man auf der Autobahn, wenn zwei Fahrzeuge mit nahezu derselben Geschwindigkeit nebeneinander herfahren. Diese fast verschwindende Relativgeschwindigkeit bedeutet aus physikalischer Sicht, dass Ionen und Elektronen gemeinsam ein erstaunlich kühles Gas bilden - genauso wie in einer interstellaren Wolke nahe am absoluten Nullpunkt der Temperatur bei minus 273,15 Grad Celsius (0 Kelvin). Physiker sprechen deswegen auch von einem kalten Strahl, der im TSR bis zu hundert Millionen Ionen enthalten kann.

Doch damit nicht genug. Im TSR können Ionen und Elektronen nicht nur auf dieselbe Geschwindigkeit gebracht werden, sondern auch mit fast beliebiger Geschwindigkeit aneinander vorbeifliegen. "Damit simulieren wir unterschiedliche Temperaturen, bei denen die Reaktionen stattfinden", erklärt Wolf. Dem liegt die physikalische Vorstellung zugrunde, dass sich Atome und Moleküle mit wachsender Temperatur immer schneller bewegen.

Die Elektronen haben jedoch nicht nur die Aufgabe, den Ionenstrahl zu kühlen, sondern sie sind gleichzeitig deren Reaktionspartner. Wolf und Kollegen stellen mit dem TSR also nicht beliebige Reaktionen nach, sondern ausschließlich Elektronenanlagerungen. Doch die spielen im Netz der interstellaren Chemie eine bedeutende Rolle. Eine zentrale Position nimmt hier das Ion H3+ ein. Es kann einerseits ein Sauerstoffatom anlagern und dann in weiteren Schritten ein Wassermolekül bilden. Lagert es statt des Sauerstoff- ein Kohlenstoffatom an, so können daraus komplexe organische Moleküle werden. "Das H3+-Ion steht an einer zentralen Verzweigung des Reaktionsbaums", sagt Andreas Wolf.

Theoretiker hatten sich lange gefragt, was passiert, wenn ein H3+-Ion ein negativ geladenes Elektron anlagert. In einer naiven Sicht würde man vermuten, dass sich die beiden Teilchen zu einem neutralen H3-Molekül vereinigen, weil sich entgegengesetzte Ladungen anziehen. Doch so einfach ist es nicht. Ob sich ein Elektron anlagern kann oder nicht, hängt davon ab, ob die Elektronen beim Anlagerungsprozess einen passenden Zustand einnehmen können.

Theoretiker kamen nach Berechnungen der Elektronenenergien zu dem Ergebnis, dass sich für kalte Elektronen an H3+ ein solches "Einfallstor" nicht auftut und der Anlagerungsprozess im Weltraum daher extrem selten stattfinden sollte. "Astrophysiker standen dieser Aussage aufgrund ihrer Beobachtungen schon lange skeptisch gegenüber", sagt Wolf. Deshalb beschlossen die Heidelberger Max-Planck-Forscher, diese Reaktion im TSR zu untersuchen.


Energie lässt Moleküle rotieren wie Kreisel

Das Experiment erforderte es, ein extrem kaltes H3+-Gas herzustellen. Diese Aufgabe übernahm Wolfs Mitarbeiter Holger Kreckel. Er baute ein Gerät, das es erlaubte, die Ionen in einem elektromagnetischen Feld einzufangen. Dann wurden sie mit Helium auf Weltraumtemperaturen gekühlt und erst dann in den TSR geleitet. Das Ergebnis ließ keinen Zweifel: Die Experimente ergaben viel höhere Anlagerungsraten als vorhergesagt. Was hatten die Theoretiker vergessen?

Üblicherweise betrachtet man bei chemischen Reaktionen nur die Elektronenschale eines Atoms oder Moleküls. Doch in Wirklichkeit geschieht noch mehr: Wenn ein von außen kommendes Elektron in die Elektronenhülle eines positiven Ions eindringt, so nimmt es Bewegungsenergie auf. Diese muss es abgeben, wenn es in dem Molekül verbleiben will. Die Experimente lassen nur die Erklärung zu, dass ein Teil dieser Energie die im Molekül sitzenden Atomkerne in Bewegung setzt und dieses wie einen Kreisel zum Rotieren bringt. Die Resultate belegen diesen von den Theoretikern nur zögernd in Betracht gezogenen Prozess und seine entscheidende Bedeutung für die Anlagerung kalter Elektronen.

Hier zeigt sich ganz deutlich die zweite Stoßrichtung der Heidelberger Experimente: Nicht nur die Astrophysik profitiert von den Ergebnissen, sondern auch die quantenphysikalische Beschreibung von Atomen und Molekülen. Und diese geht noch weiter. Wie bereits erwähnt, lässt sich am TSR die Geschwindigkeitsdifferenz, mit der Elektronen und Ionen aneinander vorbeifliegen, einstellen. Damit kann man auch festlegen, wie viel Energie die Elektronen auf die Ionen bei der Anlagerung übertragen.

Als Wolf und seine Kollegen nun diese Energie innerhalb eines bestimmten Bereichs variierten, stellten sie fest, dass sich die Anlagerungsrate nicht kontinuierlich veränderte, sondern Maxima und Minima aufwies. Die Erklärung liefert wieder die Quantenphysik: Während ein Brummkreisel mit beliebiger Geschwindigkeit rotieren kann, kann ein Molekül diese nur schrittweise - in Quanten - verändern. Immer wenn ein Elektron genau die richtige Anregungsenergie für die Rotation mitbringt, steigt die Anlagerungsrate.

Damit tragen Wolfs Experimente zu einer quantenphysikalisch vollständigen Beschreibung von Molekülen bei. Und diese ist ziemlich schwierig - scheitert sie doch schon an den einfachsten Molekülen wie H3+. Diesem messen die Forscher aber eine derart große Bedeutung bei, dass sie in den vergangenen Jahren eigens zu diesem Thema mehrere Tagungen veranstalteten.


Wasserlieferant für das kosmische Netzwerk

Doch die Elektronenanlagerung hat noch eine weitere Folge: Sie zerstört das Molekül. Da das anfliegende Elektron die bei seiner Bindung frei werdende Energie großteils auf die Kerne überträgt, spaltet sich das Molekül, sodass aus dem H3+-Ion beispielsweise ein H2-Molekül und ein H-Atom hervorgehen. Die chemische Beschaffenheit der Produkte lässt sich im TSR sehr gut messen.

Die positiv geladenen H3+-Ionen werden von Magnetfeldern im TSR-Strahlrohr auf ihre Bahn gezwungen. Doch Bruchstücke wie H2 und H sind elektrisch neutral. Sie reagieren deswegen nicht auf das Feld und fliegen aus dem Speicherring heraus. An dieser Stelle hat Wolfs Gruppe im vergangenen Jahr einen Detektor mit der Bezeichnung EMU (Energy Sensitive Multistrip Detector) installiert, der Impuls und Masse der eindringenden Teilchen misst. EMU entstand in Zusammenarbeit mit Kollegen des israelischen Weizmann-Instituts in Rehovot.

Mit bis zu tausend "Bildern" pro Sekunde kann EMU nun Molekülmassen und Impulse aller Produkte für einzelne Aufbruchreaktionen registrieren - eine technische Meisterleistung. Aus diesen Daten lassen sich die Vorgänge beim Anlagern der Elektronen und anschließendem Auseinanderbrechen des Moleküls fast wie bei einem Billard rekonstruieren.

Mit dieser Methode haben Andreas Wolf und seine Kollegen eine ganze Reihe von Anlagerungsreaktionen studiert. Eines der jüngsten Beispiele ist das Hydronium-Ion H3O+. Dies ist deswegen besonders interessant, weil es bei Elektronenanlagerung in H2O und OH zerfallen kann, somit also - bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt - einer der Wasserlieferanten im Kosmos ist. Kompliziert wird die Angelegenheit dadurch, dass es auch in andere Fragmente zerbrechen kann, etwa in OH plus zwei H-Atome oder O plus H plus H2. Diese Vielzahl von Zerfallsmöglichkeiten macht die Datenauswertung von EMU zu einem harten Puzzle. Doch es lässt sich zusammensetzen. Das Ergebnis: H3O+ liefert in 20 Prozent aller Zerfälle Wasser. Überraschend war dabei, dass die Moleküle energetisch hoch angeregt sind. "Es entsteht gewissermaßen aus kalten Stößen heißes Wasser", erklärt Wolf.


Viele Fingerabdrücke, aber keine passenden Täter

Diese Ergebnisse tragen in zweierlei Hinsicht zur Himmelsforschung bei. Die Messdaten gehen einerseits als Parameter in Computermodelle ein, mit denen das komplexe Reaktionsnetz in interstellaren Wolken berechnet wird; zum anderen dienen sie dazu, Moleküle zu identifizieren. Astronomen weisen sie mithilfe von Spektren nach. Insbesondere im Infrarot- und Radiobereich machen sich die unterschiedlichen Spezies durch eine Fülle von Emissions- oder Absorptionslinien bei ganz bestimmten Wellenlängen bemerkbar - sie hinterlassen gleichsam charakteristische Fingerabdrücke.

Die Identifizierung gelingt nur dadurch, dass man diese Linien mit Laborspektren vergleicht. Bis heute lassen sich jedoch sehr viele Linien keinen bekannten Molekülsorten zuordnen. Einige von ihnen könnten von hoch angeregten Molekülen stammen, die bei der kalten Elektronenanlagerung an ein Muttermolekül frei werden. Das jedenfalls besagen die Heidelberger Experimente.

Darüber hinaus gibt es sogar Auswirkungen auf die Biologie. Vor einigen Jahren fand ein Team von Wissenschaftlern aus Kanada und den USA Hinweise darauf, dass der Träger der Erbinformation, das DNA-Molekül, bei der Anlagerung von Elektronen zerbrechen kann. Auch hier scheinen bestimmte Energien aus quantenphysikalischen Gründen bevorzugt zu sein. Die Versuche am TSR bestätigen diese Hypothese.

Allerdings sind die Experimente am Max-Planck-Institut für Kernphysik nicht mit solch großen Biomolekülen möglich, weil sich im TSR nur Ionen mit einer Höchstmasse von etwa 40 atomaren Masseneinheiten (unified atomic mass unit, abgekürzt u) speichern lassen. Zum Vergleich: Das H3O+-Ion besitzt 19 u, Ethylenglykol (HOCH2CH2OH) bereits 62 u. Diese Massenbeschränkung will Andreas Wolf mit einem neuen Speicherring überwinden. Der Cryogenic Electrostatic Storage Ring (CSR) wird mit einem Umfang von 35 Metern kompakter sein als sein Vorgänger. Was ihn aber vor allem auszeichnet, ist eine Kühlung mit flüssigem Helium auf zwei Kelvin. Sie wird es ermöglichen, Molekülionen mit größeren Massen bis zu biologischen Makromolekülen zu speichern. Kalte Elektronen-Anlagerungsexperimente werden für Moleküle bis 160 u möglich sein - nicht für eine DNA, wohl aber für Aminosäuren.

Eine Testeinrichtung ist schon so weit gediehen, dass sie für einfache quantenphysikalische Experimente genutzt werden kann. Den "ersten Strahl" im kryogenen Speicherring erwartet Wolf für das Jahr 2012. Mit speziellen Detektoren wird er dann auch anderen Gruppen des Heidelberger Instituts für ihre Experimente zur Verfügung stehen. Mit der Heliumkühlung weist der CSR eine Gemeinsamkeit mit dem LHC in Genf auf. "Den technischen Herausforderungen begegnen wir im Maßstab dieser Anlage durch gezielte Entwicklungen und schrittweise Tests der Komponenten", sagt Andreas Wolf.

So werden die Physiker in der Abteilung für gespeicherte und gekühlte Ionen auch in Zukunft zu einem besseren Verständnis der komplexen Astrochemie beitragen, grundlegende quantenphysikalische Aspekte von Molekülen aufdecken und die Suche nach zuverlässigen theoretischen Modellen unterstützen.


Das Forschungsprogramm entstand durch die enge Zusammenarbeit mit Dirk Schwalm als Direktor des Bereichs Schwerionenphysik am Max-Planck-Institut für Kernphysik bis 2005 und mit Daniel Zajfman als Forschungsgruppenleiter am Weizmann Institute of Science im israelischen Rehovot. Es beruht auf der Mitarbeit vieler früherer und jetziger Mitglieder der Arbeitsgruppe. Der seit 2007 bestehende Bereich "Gespeicherte und gekühlte Ionen" von Klaus Blaum schafft beste Bedingungen für dieses Forschungsfeld und erweitert seine Möglichkeiten durch den Aufbau des kryogenen Speicherrings CSR.


Glossar

Elektron
Elementarteilchen mit negativer Elementarladung. In Atomen und Molekülen bilden die Elektronen die äußere Elektronenhülle. Sie bestimmt die chemischen Reaktionen.

Ion
Ein Atom oder Molekül, das eines oder mehrere Elektronen verloren oder gewonnen hat und somit elektrisch positiv beziehungsweise negativ geladen ist.

Opazität
Die Opazität (Adjektiv: opak) ist ein Maß für die Lichtundurchlässigkeit von Stoffen. Je größer die Opazität eines Stoffes ist, desto weniger Licht durchdringt ihn und desto trüber erscheint er. Im Weltall zeigt sich diese Trübung vor allem an interstellaren Gas- und Staubwolken.

Proton
Baustein der Atomkerne mit positiver Elementarladung. Es besteht aus drei Quarks und ist rund 1800-mal schwerer als das Elektron.


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Quelle:
MaxPlanckForschung - Das Wissenschaftmagazin der Max-Planck-Gesellschaft
Ausgabe 4/2009, Seite 44-51
Herausgeber: Referat für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit der
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(MaxPlanckResearch) jeweils mit vier Ausgaben pro Jahr.
Der Bezug des Wissenschaftsmagazins ist kostenlos.


veröffentlicht im Schattenblick zum 20. April 2010