Bausteine aus dem kosmischen Labor

Neu entdeckte Eis-Eigenschaften zeigen, wie im Weltraum organische Moleküle entstehen könnten

Labor-Astrophysiker um Jiao He vom Max-Planck-Institut für Astronomie haben einen Mechanismus gefunden, der die Entstehung komplexer organischer Moleküle im All erklären könnte ­– eine offene Schlüsselfrage der Astrochemie. Sie fanden in Laborexperimenten ungewöhnliche Eis-Eigenschaften, die auch jene eisbedeckten Staubkörner aufweisen sollten, die chemische Reaktionen im Weltraum ermöglichen. Der Übergang zu sogenanntem polykristallinen Kohlenmonoxid-Eis hilft eingebetteten Molekülen und Radikalen, innerhalb des Eises zueinander zu finden und ebnet so den Weg für komplexere chemische Reaktionen.

Die gigantischen Weiten zwischen den Sternen sind fast, aber eben nicht ganz leer – und in den dünnen Gas- und Staubwolken, die sich dort draußen finden, haben Forschende in den letzten Jahrzehnten immer mehr komplexe Moleküle entdeckt. Dabei ist eine ganze Reihe der rund 200 bekannten interstellaren Molekülarten im interstellaren Raum organisch – so heißen insbesondere komplexere Moleküle, die Kohlenstoff enthalten. Hier auf der Erde sind solche Moleküle die Grundlage des Lebens, wie wir es kennen.

Wie aber können sich im interstellaren Raum überhaupt komplexe organische Moleküle bilden? Die interstellaren Molekülwolken haben ungeheuer niedrige Dichten und entsprechen mit etwa hunderttausend Gasteilchen pro Kubikzentimeter dem, was Ingenieure mindestens Ultrahochvakuum nennen. Gewöhnliche chemische Reaktionen, bei denen Moleküle oder Atome aufeinander treffen und sich dann miteinander verbinden, laufen unter solchen Bedingungen viel zu selten ab, um etwas anderes als sehr einfache Moleküle zu erzeugen.

In den 1960er-Jahren entwickelten Astronomen die Idee, dass interstellare Staubkörner als "kosmische Laboratorien" dienen könnten, in denen komplexere chemische Reaktionen ablaufen könnten. Solche Staubkörner, die entweder auf Kohlenstoff oder Silikaten basieren und einen Durchmesser von weniger als einem Millionstel Meter haben, bilden sich typischerweise in den äußeren Schichten von kühlen Sternen oder nach Supernova-Explosionen. In einer interstellaren Molekülwolke würden solche Staubkörner eine äußere Schicht aus Wassereis ansammeln, und solche eisigen Schichten wiederum würden dann als winzige kosmische Chemielabore dienen.

Das Eis, das ein kosmisches Staubteilchen umhüllt, hat typischerweise eine zwiebelartige Struktur mit Dutzenden von aufeinanderfolgenden Schichten. Die inneren Schichten bestehen vor allem aus Wassereis, enthalten aber auch Moleküle wie etwa Kohlendioxid, Ammoniak oder Methan. Chemisch gesehen sind die äußeren Schichten viel interessanter. Hier ist der Hauptbestandteil Kohlenmonoxid-Eis, gemischt mit anderen Komponenten wie den organischen Verbindungen Methanol oder Formaldehyd. Es kann auch Wasserstoff- und Sauerstoffatome enthalten, sowie Verbindungen, die als "Radikale" bezeichnet werden und sich besonders eifrig an chemischen Reaktionen beteiligen.

Frühere Laborexperimente zeigten, dass chemische Reaktionen in den an Kohlenmonoxid reichen Eisschichten zur Bildung zahlreicher interessanter komplexer organischer Moleküle führen, darunter Methylformiat, Glycolaldehyd und Ethylenglycol – und das selbst bei Temperaturen von minus 263 Grad, wie sie in interstellaren Molekülwolken typisch sind. Eine große offene Frage war jedoch das "Wie" des Ganzen. Um komplexere Moleküle zu bilden, müssten sich die im Eis eingebetteten chemischen Substanzen an denselben Ort bewegen. Chemische Reaktionen können schließlich nicht auf Distanz ablaufen. Hier stießen bisherige Modelle auf Schwierigkeiten – und für dieses Problem bietet die neue Arbeit von He und seinen Kollegen eine mögliche Lösung.

Moleküle in festem Eis sind nicht vollständig an ihrem Platz eingefroren. In jedem Stück Materie wackeln die Atome ständig ein wenig herum, und immer wieder erlaubt dieses Wackeln eingebetteten Molekülen, ihre Position zu wechseln – entweder durch "Durchquetschen" oder weil eine der unzähligen Bindungen, die das Eis zusammenhalten, vorübergehend gelockert oder sogar gebrochen wird. Diese Art zufälliger Fortbewegung heißt Diffusion. 

Eine wichtige Aufgabe der Labor-Astrochemie ist die Bestimmung der Diffusionsraten verschiedener Atome, Moleküle und Radikale auf und innerhalb des Eismantels eines Staubkorns. Die Ergebnisse für festes Eis sind entmutigend: Mit Ausnahme kleiner Wasserstoffatome und -moleküle ist die Diffusion in Eis bei der oben genannnten Temperatur interstellarer Molekülwolken außerordentlich langsam. Das ist ein großes Problem für die Bildung von komplexeren Molekülen. Wenn die Ausgangsstoffe nicht gerade zufällig nebeneinandersitzen, finden die notwendigen chemischen Reaktionen unter solchen Bedingungen einfach nicht statt.

Das war die Situation, als Francis Toriello, damals Doktorand an der Syracuse University, und seine Betreuer Jiao He (zunächst an der Universität Leiden, später am Max-Planck-Institut für Astronomie) und Gianfranco Vidali (Astrophysics and Surface Science Laboratory an der Syracuse University) sich daran machten, die Bildung von Kohlenmonoxid-Eisschichten auf Staubkörnern genauer zu untersuchen. 

Nach einem von He entwickelten Plan erzeugte Toriello eine Ultrahochvakuum-Umgebung, in die er eine kleine goldbeschichtete Kupferscheibe mit einem Durchmesser von 13 Millimeter einbrachte. Die Scheibe soll die Oberfläche eines kosmischen Staubkorns darstellen. Sie ist an einer externen Kühlvorrichtung befestigt und kann kontrolliert auf Temperaturen bis hinunter zu minus 268 Grad (5 Kelvin) abgekühlt werden. Indem die Forscher Wasserdampf oder Kohlenmonocid (CO)-Gas in die Kammer leiten, können sie systematisch Schichten aus Wassereis oder CO-Eis auf der Scheibe wachsen lassen.

Die Eisschichten werden dann mit einem Infrarotspektrometer beobachte. Die Art und Weise, wie das Material Licht bei bestimmten Wellenlängen absorbiert, gibt Aufschluss über die Eigenschaften des Eises.

In einer Reihe von Experimenten präparierten die Forscher zunächst einen mehrschichtigen Wassereiskern und legten dann, bei einer Temperatur von 6 Kelvin, unterschiedlich dicke Kohlenmonoxid-Eisschichten darauf. Anschließend erwärmten sie die Probe auf 20 Kelvin und beobachteten die ganze Zeit sorgfältig die Infrarotspektren.

Bei etwa 10 Kelvin passierte etwas Interessantes: Das Infrarotspektrum verschob sich in einer Weise, welche die Forscher als Phasenübergang interpretieren: Unterhalb dieser Temperatur befand sich das Kohlenmonoxid-Eis in einer amorphen Phase, in der die CO-Moleküle in alle Richtungen aneinanderklebten. Oberhalb dieser Temperatur ändert sich die Phase, wahrscheinlich in eine sogenannte polykristalline Phase - eine Ansammlung von zahlreichen kleinen CO-Eiskristallen.

Um herauszufinden, was dies für die Rolle des CO-Eises als "kosmisches Labor" bedeutet, bauten die Forscher eine zweite Version des Experiments auf, bei der etwas Kohlendioxid (CO₂) beigemischt wurde, als die ersten CO-Eisschichten entstanden. Das CO₂ sollte ganz allgemein für jede Art von zusätzlicher chemischer Substanz stehen, die an der Eisschicht des kosmischen Staubs anhaften könnte. Unterhalb von 10 Kelvin war alles wie erwartet: Die CO₂-Moleküle saßen einzeln im Eis fest und waren nicht in der Lage, sich zusammenzufinden, und damit potenziell an chemischen Reaktionen teilzunehmen.

Doch in der Zeit, in der der Phasenübergang stattfand, änderte sich die Situation drastisch. Anschließend zeigte der Infrarotspektrograph ein starkes Signal von Clustern von CO₂-Molekülen, die sich offensichtlich gefunden und verklumpt hatten. Während der Übergangsphase zur polykristallinen Form des CO-Eises konnten sich die CO₂-Moleküle und vermutlich auch andere Radikale und Moleküle offenbar im Eis bewegen und auf diese Weise geeignete Ausgangsbedingungen für chemische Reaktionen schaffen!

Ausgehend von ihren experimentellen Ergebnissen stellten die Forscher allgemeinere Berechnungen dazu an, was der Phasenübergang für eisbedeckte Staubkörner in riesigen interstellaren Wolken bedeuten sollte. Sie kamen zu dem Schluss, dass der Phasenübergang in den polykristallinen Zustand in solchen Wolken die Regel sein sollte: In den allerersten Stadien der Sternentstehung, wenn Teile der Wolke zu kollabieren beginnen und sich infolgedessen aufheizen. Dabei sollte das CO-Eis auf den Staubkörnern in der Umgebung polykristallin werden. Während dieses Phasenübergangs könnten die Radikale und Moleküle freier wandern als sonst und größere Molekülansammlungen bilden.

Extrapoliert man von CO₂ auf komplexere Moleküle oder auf Radikale, könnte das die Effizienz der auf Staubkörnern basierenden kosmischen Chemielabore erklären: Mit der Zeit würden kosmische Staubkörner Eis sowie Radikale oder Moleküle aufsammeln. Sobald die Sternentstehung einsetzt, würde der Phasenübergang dafür sorgen, dass viele dieser Radikale und Moleküle sich zusammenfinden könnten. Damit wären die Bedingungen gegeben, unter denen chemische Reaktionen stattfinden und komplexere Moleküle entstehen – Moleküle, die vielleicht irgendwann, nachdem sie über Meteoriten auf einen neu entstandenen Planeten transportiert wurden, eine Rolle bei der Geburt von neuem Leben spielen könnten.

Als nächstes plant Jiao He, der inzwischen als Leiter des neu gegründeten Labors "Origins of Life" nach Heidelberg gewechselt ist, zusammen mit seinen Kollegen eine Version des Experiments, bei der Radikale und andere Moleküle als CO₂ dem Phasenübergang unterworfen werden. Sollte dies zum gleichen Clustering-Effekt führen, wäre das ein weiterer Schritt, um die Rolle des Übergangs zu polykristallinem CO-Eis in der Astrochemie interstellarer Wolken zu etablieren.