Forschungsbericht 2011 - Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Entdeckungen neuer molekularer Ionen mit dem APEX Teleskop

Autoren
Wyrowski, Friedrich; Menten, Karl; Güsten, Rolf; Belloche, Arnaud
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Zusammenfassung
Hydride sind von besonderer Bedeutung für interstellare Chemie, da sie die Anfangsprodukte für komplexere Moleküle darstellen. Mit dem APEX- Submillimeter-Teleskop in der Atacama-Wüste in Chile gelang uns der Nachweis der wichtigen ionisierten Hydride SH+ und OH+ in Absorption vor dem starken Kontinuum der Sternentstehungsregion Sgr B2(M). Die Beobachtungen zeigen, dass diese Moleküle in diffusen Wolken häufig sind. Um diese Hydride in diffusen Wolken und massereichen Sternentstehungsgebieten systematisch zu erfassen, beobachteten wir die stärksten Submillimeter-Staubquellen der Milchstraße.

Überblick

Hydride waren die ersten im interstellaren Medium detektierten Moleküle. Vor mehr als 70 Jahren wurden von Dunham (1937) [1] optische Absorptionslinien von CH und CH+ in stellaren Spektren nachgewiesen, welche durch auf der Sichtlinie liegenden diffusen interstellaren Wolken, hervorgerufen werden. Diffuse Wolken sind relativ durchlässige Wolken mit geringer Dichte, die vollständig der UV-Strahlung von Sternen ausgesetzt sind [2].

Für die interstellare Chemie spielen Hydride eine Schlüsselrolle, da sie die Anfangsprodukte chemischer Netzwerke sind, die für die Entstehung komplexer Moleküle verantwortlich sind. Die energetisch tiefsten Strahlungsübergänge der leichten Hydride, hervorgerufen durch Änderungen ihres Rotationszustands, fallen in den Submillimeter-Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Dazu gehören auch einige Übergänge des Wassermoleküls, welches als Bestandteil der Erdatmosphäre große Teile des Submillimeter-Wellenlängenbereichs für erdgebundene Observatorien undurchlässig macht. Nur außergewöhnliche Standorte, wie zum Beispiel die trockene Chajnantor Hochebene der Atacama-Wüste im Norden Chiles, bieten Durchlässigkeit in einigen atmosphärischen Submillimeter-Fenstern. An diesem Standort beobachtet das APEX-Teleskop (Atacama Pfadfinder EXperiment) und bald auch ALMA (Atacama Large Millimeter Array), ein Zusammenschluss von 64 APEX-ähnlichen Teleskopen zu einem Interferometer.

In diesem Beitrag fassen wir neue Beobachtungen von interstellaren Hydriden mit dem APEX-Teleskop [3] zusammen. Diese Beobachtungen sind komplementär zu ebenso spannenden Beobachtungen von Hydriden mit dem Herschel-Weltraumteleskop, welches Beobachtungen zu noch kürzeren Wellenlängen bis hinein in den Fern-Infrarot-Bereich ermöglicht.

Neue molekulare Ionen in Richtung von Sgr B2 (M)

Sagittarius B2 ist das massereichste Sternentstehungsgebiet in unserer Milchstraße. Es liegt in der Nähe des galaktischen Zentrums in einer Entfernung von etwa 8 Kiloparsec (26 Lichtjahren) von der Erde. In dieser Riesenmolekülwolke sind außerdem die leuchtkräftigsten sogenannten "heißen Molekülkerne" zu finden, in denen neu entstandene, heiße Sterne ihre dichte Umgebung aufheizen und dadurch Moleküle von Staubmänteln abgedampft werden. Die hohe Dichte und Anregung in diesen Wolkenkernen führt zu einer komplexen Chemie und macht sie zu den besten Jagdgebieten für neue interstellare Moleküle und tatsächlich sind viele von ihnen zuerst in Sgr B2 gesehen worden.

Zusätzlich geht die Sichtlinie zu Sgr B2 durch mehrere galaktische Spiralarme, wodurch Absorptionsstudien von diffusen Wolken auf der Sichtlinie möglich werden. Absorptionslinien entstehen, wenn Moleküle Photonen eines Hintergrunds kontinuierlicher Strahlung unter Energiegewinnung schlucken. Die starke Kontinuumsstrahlung von Sgr B2 wird bei langen Wellenlängen durch leuchtkräftige, durch die heißen Sterne ionisierte Gebiete verursacht. Bei kürzeren Wellenlängen im Submillimeter-Bereich ist thermische Strahlung des interstellaren Staubs für die Kontinuumsstrahlung verantwortlich.

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Beobachtungen neuer Hydride mit dem APEX Teleskop in Richtung von Sgr B2 (M). Die obersten beiden Panele zeigen zum Vergleich Ergebnisse mit dem IRAM 30-m Teleskop (A. Belloche). In Rot ist eine Modellierung der Spektren zu sehen.

Für die Beobachtungen wurde das 12-m APEX Teleskop verwendet zusammen mit der vom Max-Planck-Institut für Radiosatronomie (MPIfR) gebauten, leistungsfähigen CHAMP+ Empfangseinheit, welche Beobachtungen in zwei Submillimeter-Fenstern mit jeweils 7 Pixeln ermöglicht. Mehrere Hydride wurden in ihren Rotations-Grundzustandsübergängen in Richtung von Sgr B2(M) beobachtet, zwei davon sind Erstentdeckungen dieser Moleküle im interstellaren Medium. Abbildung 1 zeigt die gemessenen Spektren von 13CH+, HCl, OH+ und SH+ im Vergleich mit Beobachtungen von H13CO+ und C3H2, die im Rahmen einer Liniendurchmusterung des atmosphärischen 3 mm-Fensters mit dem IRAM 30-m Teleskop in Südspanien durchgeführt wurden. Durch den Dopplereffekt werden die Absorptionslinien spektral verschoben, sodass die Geschwindigkeit des absorbierenden Gases auf der Sichtlinie bestimmt werden kann (Abszisse in Abb. 1). Neben starker Absorption bei etwa 65 km/s der Sgr B2-Wolke selbst, zeigen alle Moleküle außer HCl zusätzliche Absorptionskomponenten in einem großen Geschwindigkeitsbereich, hervorgerufen durch die diffusen Wolken auf der Sichtlinie. Die neu entdeckten Ionen SH+ und OH+ sind daher prominente Komponenten des diffusen Mediums [4,5]. Mithilfe des galaktischen Isotopenverhältnis von 12C/13C lässt sich aus der 13CH+ Beobachtung auch die Säulendichte des von der Erde nicht beobachtbaren Hauptisotopomers 12CH+ bestimmen und somit die Häufigkeit der wichtigen Ionen SH+, CH+ und OH+ vergleichen. Es zeigt sich dabei, dass im Mittel OH+ deutlich häufiger ist als die anderen ionisierten Hydride.

Eine OH+ Durchmusterung starker Staubquellen in der inneren Milchstraße.

Der Rotationsgrundzustand von OH+ besitzt eine Feinstruktur und Übergänge aus diesem Zustand sind in drei Liniengruppen aufgespalten. Neben dem mit CHAMP+ beobachteten Übergang bei 909 GHz lässt sich unter den besten Wetterbedingungen auf dem Chajnantor Plateau sogar die OH+ Linie bei 1033 GHz (1.033 THz) beobachten. Für dieses erste atmosphärische THz-Fenster wurde am MPIfR ein neuer Empfänger entwickelt, der im Juni 2010 erfolgreich zum Einsatz kam. Da die 1033 GHz Linie deutlich stärker ist als die Linie bei 909 Ghz, kann man nun in angemessener Zeit eine Durchmusterung von OH+ in Richtung starker Kontinuumsquellen auch vom Boden mit dem APEX-Teleskop durchführen.

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APEX THz-Beobachtungen von OH+ in Richtung der massereichen Sternentstehungsregion G10.47+0.03 (unteres Panel). Zum Vergleich werden im oberen Panel APEX Beobachtungen des CO Moleküls sowie Australian Compact Array (ATCA) Beobachtungen atomaren Wasserstoffs (HI) gezeigt. Die Hyperfeinstruktur von OH+ sowie die Tangentialgeschwindigkeit bei l=10,5 Grad sind zusätzlich eingezeichnet

Zur Auswahl der stärksten Staubquellen, können neue Ergebnisse der APEX-Kartierung der Milchstraße [5] mit der auch vom MPIfR gebauten Bolometer-Kamera (LABOCA) herangezogen werden. Die so ausgewählten 25 stärksten Staub-Kontinuumsquellen – allesamt leuchtkräftige, massereiche Sternentstehungsregionen – wurden unter extrem trockenen Bedingungen von 0,2 bis 0,3 mm ausfällbarem Wasserdampf beobachet. Das ist etwa ein fünfzigstel des Wasserdampfes unter guten Bedingungen über dem Effelsberger Radioteleskop. OH+ wurde in Richtung der meisten Staubklumpen nachgewiesen, was eine weitere Bestätigung für die großen Häufigkeiten von OH+ in weiten Teilen der Milchstraße ist. Abbildung 2 zeigt eine tiefe OH+ Absorption in Richtung des massereichen Sternentstehungsgebiets G10.47+0.03. Diese Absorption ist deutlich breiter als die in der Abbildung eingezeichnete Hyperfeinaufspaltung von etwa 35 km/s. Ein Vergleich mit der Emission des weitverbreiteten Kohlenmonoxids (CO) und mit atomarem Wasserstoff (HI) in Richtung dieser Quelle zeigt, dass bei den Geschwindigkeiten aller OH+ Absorptionskomponenten auch HI-Emission beobachtet wird, während in einigen OH+ Geschwindigkeitsbereichen kein CO detektiert worden ist. OH+ ist daher auch in der atomaren Phase des interstellaren Mediums zu finden. Dies ist besonders deutlich zu sehen in der Nähe der Tangentialgeschwindigkeit auf dieser Sichtlinie, daher der maximalen Geschwindigkeit, die sich auf einer Sichtlinie durch unsere Milchstraße aufgrund ihrer differentiellen Rotation ergeben kann. Da die Geschwindigkeit der Sternentstehungregion selbst ungefähr 60 km/s beträgt, zeigt die Entdeckung von Komponenten mit größerer Geschwindigkeit, dass sich diese Region jenseits des Tangentialpunktes auf der anderen Seite der Milchstraße befinden muss. Die daraus bestimmte Entfernung von 10,6 kpc (etwa 35000 Lichtjahre) ist auch konsistent mit HI-Absorptionsmessungen mit dem Very Large Array (VLA). Damit ergibt sich eine interessante Möglichkeit für Regionen, die nur Submillimeter-Kontinuum vom Staub zeigen, zwischen den nahen und fernen Lösungen der kinematischen Entfernungsbestimmung zu unterscheiden.

Aussichten für das Atacama Large Millimeter Array

Die beschriebenen bodengebundenen Beobachtungen von ionisierten Hydriden zeigen den Weg für zukünftige Studien mit weitaus höherer räumlicher Auflösung und Empfindlichkeit mit dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA). ALMA befindet sich im Bau auf der Chajnantor Hochebene und Early Science. Erste wissenschaftliche Beobachtungen mit 16 der 64 Antennen des fertigen Interferometers, werden – aller Voraussicht nach – schon Ende 2011 beginnen. Neben den mit dem APEX-Teleskop beobachteten Hydriden, wird es möglich sein, für einige weit entfernte Galaxien aus dem frühen Universum noch andere Hydride zu beobachten, deren Linien durch ihre hohen Rotverschiebungen (hervorgerufen durch ihre großen Entfernungen und der Expansion des Universums) in atmosphärischen Fenstern des Submillimeter-Wellenlängenbereichs sichtbar werden. Darunter könnten Linien von CH+, Wasser, ionisiertem Wasser, H3O+, HF und NH+ fallen, obwohl letzteres bisher noch nicht im interstellaren Medium nachgewiesen werden konnte. Kürzliche Beobachtungen von ionisiertem Wasser in nahe gelegenen Starburst Galaxien mit dem Herschel-Weltraumteleskop eröffnen vielversprechende Aussichten für solche Studien auch im frühen Universum. Denn die typischerweise exzellente Stabilität von Interferometern wird diese Beobachtungen noch erleichtern.

Außerdem wird ALMA ermöglichen, Kartierungen von Hydrid-Absorptionen vor dem ausgedehnten Staubkontinuum von Sternentstehungsregionen anzufertigen. Dadurch kann man die Verteilung der Hydride in diffusen Wolken auf kleinen räumlichen Skalen mit hoher Geschwindigkeitsauflösung studieren. Eine weiter Anwendung werden detaillierte Kartierungen der Ausflüsse von jungen Protosternen sein, um die genauen chemischen Prozesse in diesen Ausflüssen besser zu verstehen.

1.
T. Dunham:
Interstellar Neutral Potassium and Neutral Calcium.
Publications of the Astronomical Society of the Pacific 49, 26 (1937).
2.
T.P. Snow, B.J. McCall:
Diffuse Atomic and Molecular Clouds.
Annual Review of Astronomy and Astrophysics 44, 367 (2006).
3.
F. Wyrowski, K.M. Menten:
Erste wissenschaftliche Ergebnisse des Atacama-Pathfinder-Experiments.
MPG Jahrbuch (2007).
4.
K.M. Menten, F. Wyrowski, A. Belloche, R. Güsten, L. Dedes, H.S.P. Müller:
Submillimeter absorption from SH+, a new widespread interstellar radical, 13CH+ and HCl.
Astronomy and Astrophysics 525, A77 (2011).
5.
F. Wyrowski, K.M. Menten, R. Güsten, A. Belloche:
First interstellar detection of OH+.
Astronomy and Astrophysics 518, A26 (2010).
6.
F. Wyrowski, K.M. Menten, F. Schuller:
ATLASGAL: Die APEX-Durchmusterung unserer Milchstraße im kalten Staub.
MPG Jahrbuch (2009).
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