Astronomen spüren in Dunkelwolke seltenes Molekül auf

Forscher des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie an Entdeckung des dreiatomigen Ammoniakisotops ND3 beteiligt

Schon auf der Erde sehr selten, ist der Fund dieses Moleküls im All eine echte Sensation: Astronomen des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und des California Institute of Technology (CalTech) in Los Angeles haben im All das Molekül ND3 nachgewiesen. Es handelt sich dabei um ein sehr seltenes Isotop des Ammoniaks, bei dem alle drei Wasserstoffatome durch das schwerere Atom Deuterium ersetzt sind – ganz analog zum „Schweren Wasser“ (D2O) mit zwei Deuteriumatomen. Moleküle, die Deuterium enthalten, treten meist in extrem kalten Wolken aus Gas und Staub innerhalb unserer Milchstraße auf. In solchen Molekülwolken haben die Forscher zwar schon vorher Moleküle mit einem oder auch zwei Deuteriumatomen gefunden; das jetzt entdeckte Molekül ist allerdings das erste, bei dem gleich drei Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt sind (Astronomy & Astrophysics, Vol. 388(3), June IV, 2002, L53).

Die Beobachtung gelang Dr. Floris van der Tak and Dr. Peter Schilke am Caltech Submillimeter Observatory (CSO) auf dem Mauna Kea in Hawaii. Das Teleskop kann noch in einem „ultrahohen“ Radiofrequenzbereich arbeiten, in dem der Wasserdampfgehalt der Erdatmosphäre die Messungen bereits erheblich beeinträchtigt. Am Standort des Teleskops in 4500 Meter Höhe über dem Meeresspiegel ist die Luft extrem trocken; erst dadurch werden Messungen bei Radiofrequenzen bis zu 900.000 MHz (entsprechend 0,33 Millimeter Wellenlänge) möglich.

Atome und Moleküle senden charakteristische Strahlung bei ganz bestimmten Wellenlängen aus, die sich im Spektrum als Linien zeigen. Aus der Analyse der unterschiedlichen Frequenzen, in denen eine kosmische Molekülwolke Strahlung emittiert, schließen Astronomen auf die Existenz einzelner Molekülarten in der Wolke – so, wie Kriminalisten den Täter anhand seiner Fingerabdrücke identifizieren. Mit den sehr empfindlichen Empfängern am CSO fanden die Forscher eine Spektrallinie bei 309.909,4 MHz. „Diese Frequenz stimmt exakt mit derjenigen von irdischen Labormessungen des ND3-Moleküls überein. Kein anderes Molekül sendet Strahlung bei genau dieser Frequenz aus“, sagt Floris van der Tak. Darüber hinaus entspreche das Frequenzprofil der gemessenen Linie exakt den theoretischen Modellen.

„Abb.: Molekülwolke NGC 1333 im Sternbild Perseus. Das Foto wurde im sichtbaren Licht mit dem 0,9-m-Teleskop am Kitt Peak National Observatory aufgenommen (Copyright: John Bally). Die Position, an der das ND3 nachgewiesen werden konnte, liegt im südlichen Bereich der Wolke. “ „Grafik: John Bally“

Die interstellaren Wolken, in denen das Molekül entdeckt wurde, liegen in Richtung der Sternbilder Perseus und Ophiuchus (Schlangenträger) und sind zwischen 500 und 1000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Innerhalb dieser Wolken gibt es keine Sterne – und somit auch keine „Heizung“. Dadurch herrschen in ihrem Inneren Temperaturen von nur etwa zehn Grad über dem absoluten Nullpunkt (entsprechend minus 260 Grad Celsius). Die chemischen Reaktionen, bei denen die normalen Wasserstoffatome durch ein schwereres Deuterium ersetzt werden, verlaufen bei sehr niedrigen Temperaturen am effektivsten. Es gibt zwei verschiedene Arten solcher Reaktionen: Gasphasenreaktionen (wie die Verbrennung in einer Flamme) sowie Reaktionen an der Oberfläche von festen Partikeln (wie zum Beispiel in Autokatalysatoren).

In einem zweiten Schritt wollten die Astronomen wissen, welche Art von chemischen Reaktionen die Moleküle im interstellaren Raum produziert. Die Entdeckung von ND3 ermöglichte es, zwischen den beiden beschriebenen Reaktionstypen zu unterscheiden, da Gasphasenreaktionen normalerweise einen größeren Anteil des gewöhnlichen Wasserstoffs durch Deuterium ersetzen können als Oberflächenreaktionen. Um die Häufigkeit von ND3 im Vergleich mit normalem Ammoniak (NH3) bestimmen zu können, haben van der Tak and Schilke das NH3-Molekül mit dem 100-Meter-Radioteleskop in Effelsberg an denselben Positionen in den Wolken beobachtet. Die Spektrallinien von NH3 liegen bei einer Frequenz von 24.000 MHz. Den Messungen zufolge variiert das Verhältnis von NH3 zu ND3 in den Molekülwolken zwischen 1600 und 3400. Diese Werte sind viel zu niedrig für eine Produktion durch Oberflächenreaktionen; ND3 wird also offenbar durch Gasphasenreaktionen gebildet.

„Die Deuterium-Anreicherung im interstellaren Medium muss schon sehr effizient sein, um soviel ND3 zu erzeugen, wie wir es gefunden haben“, sagt Peter Schilke. Es sei erstaunlich, dass es überhaupt aufgespürt wurde, da bisher niemand mit der Existenz von dreifach „deuteriertem“ Ammoniak im Weltraum gerechnet habe.

******* Neben Floris van der Tak und Peter Schilke vom MPIfR sind an diesem Projekt beteiligt: Darek Lis und Tom Phillips vom California Institute of Technology, Holger Müller von der Universität zu Köln sowie Maryvonne Gerin und Evelyne Roueff vom Observatoire de Paris. Eine finanzielle Unterstützung des Forschungsprojekts erfolgte über die National Science Foundation (NSF), USA, und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Floris van der Tak
Tel.: 0228/525-273
Fax: 0228/525-229
E-Mail: vdtak@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Peter Schilke
Tel.: 0228/525-392
E-Mail: pschilke@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Norbert Junkes
Fax: 02257/301-105
E-Mail: njunkes@mpifr-bonn.mpg.de

alle Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn