Beweise für schwer fassbare Chemie aus den ersten Minuten des Universums gefunden
Quelle: Composition: NIESYTO-Design; Bild NGC 7027: William B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) und N
Ein Bild, das das Spektrum von HeH+ zeigt, wie es mit Great an Bord von Sofia in Richtung des planetarischen Nebels NGC 7027 beobachtet wurde
Obwohl das Heliumhydrid-Ion HeH+ vor 13,8 Milliarden Jahren, nach dem Urknall, zum ersten Mal auftauchte, war es aus Sicht der Menschheit im Weltraum verloren gegangen. Wasserstoff und Helium waren die beiden ersten Elemente, und unter den extremen Geburtsbedingungen des Universums gingen Astrochemiker davon aus, dass sie in HeH+ die allererste molekulare Verbindung eingingen. Rolf Güsten vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Deutschland und seine Kollegen wussten, dass HeH+ existieren kann – es wurde bereits 1925 im Labor entdeckt. Aber jetzt haben sie es zum ersten Mal überzeugend im Weltraum entdeckt, und zwar in einem Nebel, der im gegenwärtigen Universum existiert.
‚Der fehlende Nachweis von HeH+ ließ Zweifel aufkommen, ob wir die Entstehung und Zerstörung dieses speziellen Moleküls so gut verstehen, wie wir dachten‘, sagt Güsten gegenüber Chemistry World.
Güsten und Kollegen beobachteten den Rotationsgrundzustand von HeH+ in einem planetarischen Nebel mit Hilfe eines Terahertz-Spektrometers (THz), das auf dem luftgestützten Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (Sofia) fliegt. Diese Studie ist einer der Gründe für den Bau des deutschen Empfängers für Astronomie bei Terahertz-Frequenzen.
Wissenschaftler konnten trotz großer Anstrengungen bisher keine Beweise für HeH+ mit Hilfe der Infrarot-Spektroskopie finden. Die Terahertz-Spektrometrie ist eine schwierige Alternative. Der Rotationsgrundzustand von HeH+ hat eine Wellenlänge von 149,137µm. Ozon und Wasser in der Erdatmosphäre blockieren dieses Licht, so dass die Forscher in die Stratosphäre gehen mussten.
Quelle: Links: © Carlos Duran/MPIfR; Rechts: © NASA Photo/Jim Ross
Das Große Ferninfrarot-Spektrometer (links) ist am Teleskopflansch des fliegenden Observatoriums Sofia (rechts)
Dabei treten spektroskopische Merkmale von viel häufigeren Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen bei 149,09µm und 149,39µm auf. Um erfolgreich zu sein, waren daher eine hohe spektrale Auflösung und sehr empfindliche Sensoren erforderlich, da das Team von Güsten nur ein schwaches Signal erwartete. Um den 2THz-Frequenzbereich des 149,137µm-Signals zu erreichen, bedurfte es außerdem „mehrerer Jahre technologischer Fortschritte“.
„Dies ist ein großartiger erster Nachweis einer molekularen Spezies, die sicherlich für eine breitere astronomische Gemeinschaft von Interesse und Bedeutung ist, und dieser Nachweis öffnet die Tür für weitere Studien“, kommentiert der Astronom Jan Cami von der University of Western Ontario, Kanada.
So werden Güsten und seine Kollegen beispielsweise nach mehr HeH+ suchen, wenn Sofia im Juni das nächste Mal fliegt. Da sie nun wissen, dass HeH+ existiert, können sie damit beginnen, weiter in der Zeit zurück zum Urknall zu suchen. Sie werden die kosmologische Rotverschiebung ausnutzen, ähnlich wie sich die Wellenlängen von Objekten, die sich vom Beobachter entfernen, durch die Dopplerverschiebung ausdehnen. Dadurch wird sich die Wellenlänge von HeH+ etwa verzehnfachen, erklärt er, und das Licht aus dem jungen Universum wird „von großen bodengestützten Observatorien aus sichtbar“, sagt Güsten.