Erstes Molekül des Universums gefunden

Erster astrophysikalischer Nachweis des Heliumhydrid-Ions

23.04.2019 - Deutschland

Das Heliumhydrid-Ion HeH⁺ war das erste Molekül, das im noch jungen Universum vor knapp 14 Milliarden Jahren entstand, als fallende Temperaturen die ersten chemischen Reaktionen der im Urknall entstandenen leichten Elemente ermöglichten. Zu dieser Zeit verbanden sich auch ionisierter Wasserstoff und neutrale Heliumatome zu HeH⁺.

Trotz seiner Bedeutung für die Geschichte des frühen Universums gelang es lange Zeit nicht, HeH⁺ in astrophysikalischen Umgebungen nachzuweisen. Erst mit dem Ferninfrarot-Spektrometer GREAT an Bord der fliegenden Sternwarte SOFIA ist es einem internationalen Forscherteam unter der Leitung von Rolf Güsten vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie nun geglückt, dieses Molekül in Richtung des Planetarischen Nebels NGC 7027 eindeutig nachzuweisen.

Der Beginn aller Chemie erfolgte in einer sehr frühen Phase in der Entwicklung des Universums, sobald die Temperatur im jungen Universum unter einen Wert von ca. 4000 Kelvin gefallen war. Damit konnten die Ionen der leichten bereits im Urknall entstandenen Elemente wie Wasserstoff, Helium, Deuterium und Spuren von Lithium in umgekehrter Reihe ihrer Ionisationspotentiale rekombinieren. Zunächst verbanden sich Helium-Ionen mit freien Elektronen, um so die ersten neutralen Atome zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt war der Wasserstoff selbst noch ionisiert, und lag in der Form von freien Protonen oder Wasserstoffkernen vor. Mit ihnen verbanden sich die Heliumatome zum Heliumhydrid-Ion HeH⁺, der ersten molekularen Verbindung im Universum. Mit fortschreitender Rekombination reagierte das HeH⁺mit den nun vorhandenen neutralen Wasserstoffatomen und bildete so einen Pfad zur Entstehung von molekularem Wasserstoff. Diese ersten Reaktionen markieren den Beginn des heutigen Universums in all seiner chemischen Komplexität.

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Trotz seiner unbestrittenen Bedeutung für die Geschichte des frühen Universums war es bisher nicht gelungen, das HeH⁺-Molekül im interstellaren Raum aufzufinden. In Laboruntersuchungen war es seit fast 100 Jahren (1925) bekannt, während die gezielte Suche im Weltall während der vergangenen Jahrzehnte erfolglos blieb und so die damit verbundenen chemischen Modellrechnungen angezweifelt wurden. „Die Chemie des Universum hat mit HeH⁺begonnen. Der fehlende Nachweis für die Existenz dieses Moleküls im interstellaren Raum hat für lange Zeit ein Dilemma für die Astronomie dargestellt”, sagt Rolf Güsten vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), Erstautor der Veröffentlichung und bis zum Oktober 2018 Projektleiter für den GREAT-Empfänger.

In den späten 1970er Jahren deuteten astrochemische Modelle auf die Möglichkeit hin, dass HeH⁺in nachweisbarer Häufigkeit in astrophysikalischen Nebeln innerhalb unserer Milchstraße vorhanden sein könnte. Die Suche in sogenannten Planetarischen Nebeln – Gashüllen, die von sonnenähnlichen Sternen in der letzten Phase ihres Lebenszyklus ausgestoßen werden – erwies sich als erfolgversprechend. Die energiereiche Strahlung, die dabei vom Zentralstern, einem Weißen Zwerg mit einer Oberflächentemperatur von über 100.000 Grad, erzeugt wird, treibt Ionisationsfronten in die ausgestoßene Hülle. Genau dort soll sich nach den Modellrechnungen das HeH⁺-Molekül ausbilden.

Das Molekül strahlt am stärksten in einer Spektrallinie bei einer charakteristischen Wellenlänge von 0,149 mm (entsprechend einer Frequenz von 2,01 Terahertz). Leider ist die Erdatmosphäre in diesem Wellenlängenbereich komplett undurchlässig für alle bodengebundenen Observatorien, so dass die Suche entweder aus dem Weltraum oder mit hochfliegenden Observatorien wie SOFIA erfolgen muss. In einer Flughöhe von 13 bis 14 km operiert SOFIA oberhalb der absorbierenden Schichten der unteren Atmosphäre. „Mit den jüngsten Fortschritten in der Terahertz-Technologie ist es nun möglich, hochauflösende Spektroskopie bei den erforderlichen ferninfraroten Wellenlängen durchzuführen”, erklärt Rolf Güsten. Als Ergebnis von Messungen mit dem GREAT-Spektrometer, das an Bord des Flugzeug-Observatoriums SOFIA zum Einsatz kam, kann das Team nun den eindeutigen Nachweis des HeH⁺-Moleküls in Richtung der Hülle des Planetarischen Nebels NGC 7027 bekannt geben.

„Der Nachweis von HeH⁺ist ein aufregender und großartiger Beleg für die Tendenz der Natur, Moleküle zu bilden”, sagt David Neufeld von der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore, ein Ko-Autor der Veröffentlichung. „Trotz der wenig verheißungsvollen vorhandenen Zutaten, einer Mischung von Wasserstoff mit dem kaum reaktiven Edelgas Helium und einer schroffen Umgebung bei einer Temperatur von mehr als 1000 Grad Celsius, hat sich ein sehr fragiles Molekül ausgebildet. Es ist bemerkenswert, dass dieses Phänomen nicht nur von den Astronomen beobachtet, sondern auch auf der Basis der von uns entwickelten theoretischen Modelle verstanden werden kann.”

Die hier vorgestellte Entdeckung führt eine lange Suche zu einem erfolgreichen Ende und beseitigt Zweifel an den angenommenen Mechanismen für die Entstehung und Zerstörung von Molekülen. Sie belohnt lange Jahre der instrumentellen Entwicklung und unterstreicht den wissenschaftlichen Wert der Ferninfrarot-Astronomie mit einem Flugzeug-Observatorium.