Interstellare Wolken bestehen aus extrem kaltem und extrem verdünntem Gas. Obwohl Reaktionen zwischen neutralen Atomen und Molekülen unter diesen Bedingungen praktisch nicht stattfinden, ist dort schon die Existenz von nahezu 300 verschiedene Molekülsorten bekannt. Der Schlüssel zu dieser überraschenden Vielfalt steckt in Reaktionen zwischen geladenen Atomen und Molekülen (Ionen) und neutralen Reaktionspartnern. Diese Ionen-Neutral-Prozesse laufen ohne Aktivierungsbarriere ab und sind daher selbst bei niedrigsten Temperaturen sehr effektiv. Bereits 1941 wurde erstmals ein geladenes Molekül in solchen Wolken identifiziert, das Methylidin-Ion CH+.
Seit nunmehr über 80 Jahren stellt die beobachte hohe Menge an CH+ in interstellaren Molekülwolken ein großes Rätsel für die Astrophysik dar. Das liegt unter anderem daran, dass die Raten von chemischen Reaktionen zur Bildung und Zerstörung von CH+ für die extrem kalten Bedingungen im interstellaren Raum nicht bekannt sind. Dort sind im Gegensatz zu irdischen Bedingungen die inneren Bewegungen der CH+-Moleküle ausgefroren, sie können also weder schwingen noch rotieren. Eine dieser Reaktionen ist die dissoziative Rekombination: Hierbei fängt das positiv geladene CH+ ein freies (negativ geladenes) Elektron ein, wobei so viel Energie frei wird, dass es in seine atomaren Bestandteile zerplatzt.
Den Weltraum ins Labor geholt
In einem Experiment am ultrakalten (kryogenen) Speicherring CSR des MPI für Kernphysik haben Forscher nun die Häufigkeit der dissoziativen Rekombination für in inneren Bewegungen ausgefrorene CH+-Moleküle vermessen. Dazu haben sie in der etwa 20 Kelvin kalten Umgebung des CSR die Moleküle bis zu zwei Minuten gespeichert, um deren Rotation zu stoppen. Mithilfe eines Laserstrahls konnten sie die Rotations-Quantenzustände bestimmen und somit das Anhalten der Rotation verfolgen. Daraufhin haben sie die CH+ Moleküle mit einem ‚kalten‘, also nahezu gleich schnellen, Elektronenstrahl überlagert, um die dissoziative Rekombination zu initiieren und deren Häufigkeit zu bestimmen.
„Die kombinierte Verwendung eines Elektronen- und Laserstrahls zum Verständnis einer Molekülreaktion stellte eine große Herausforderung für unsere CSR-Arbeitsgruppe dar, die wir in der dreiwöchigen Experimentierkampagne nur durch intensive Vorbereitung und Zusammenarbeit von Technikern und Wissenschaftlern stemmen konnten“, sagt Oldřich Novotný, leitender Wissenschaftler der Kampagne. Und fügt hinzu: „Die Zeit und Mühe, die wir dem Experiment gewidmet haben, hat sich bezahlt gemacht. Denn so konnten wir uns bei unseren Ergebnissen sicher sein, dass sie auf in inneren Bewegungen ausgefrorene CH+-Ionen zutreffen.“
Beitrag zur Lösung des 80 Jahre alten Rätsels
„Unsere Messungen ergaben eine bis zu 6-fach schnellere Zerstörung von CH+-Molekülen beim Einfang von Elektronen im Vergleich zu Annahmen in bisherigen astrophysikalischen Modellen. Sie liefern damit erstmalig eine solide Grundlage zur Beschreibung der CH+-Chemie in kalten Molekülwolken. Sie werden Astrophysikern auf der Suche nach einer Lösung für das 80 Jahre alte Rätsel des CH+-Ions helfen“, erläutert Daniel Paul, Erstautor der Publikation.
Auch bei anderen Molekülen verlassen sich astrophysikalische Modelle bislang oft auf experimentelle Daten von ‚heißen‘ Molekülen, die stark rotieren oder schwingen. Im schlimmsten Fall verwenden sie sogar Schätzwerte. Der CSR bietet als aktuell einziges Experiment auf der Welt die Möglichkeit, Kollisionen von Elektronen mit ausgefrorenen Molekülen − also unter echten Weltraumbedingungen − im Detail zu vermessen. So ist es möglich, verlässliche Daten für astrophysikalische Modelle zu generieren, die zur Interpretation von Beobachtungen nötig sind. Vor allem das kürzlich in Betrieb genommene James-Webb-Weltraumteleskop verspricht der Astronomie in Zukunft noch viele wertvolle Daten zu liefern. Diese können teilweise nur mit Hilfe von Laborexperimenten, wie beispielsweise am CSR, vollständig verstanden werden.
Originalpublikation:
Experimental determination of the dissociative recombination rate coefficient for rotationally cold CH+ and its implications for diffuse cloud chemistry, Daniel Paul, Manfred Grieser, Florian Grussie, Robert von Hahn, Leonard W. Isberner, Ábel Kálosi, Claude Krantz, Holger Kreckel, Damian Müll, David A. Neufeld, Daniel W. Savin, Stefan Schippers, Patrick Wilhelm, Andreas Wolf, Mark G. Wolfire, and Oldřich Novotný, The Astrophysical Journal 14.11.2022, DOI: 10.3847/1538-4357/ac8e02
