Chemie des kosmologischen Dunklen Zeitalters im Labor untersucht

Physiker berichten über erste Labormessungen zu Reaktionen von Elektronen mit Heliumhydrid-Ionen im kryogenen Speicherring CSR am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik. Bei tiefen Temperaturen von 6 K stellten sich die das Molekül zerstörenden Reaktionsraten im Vergleich zu früheren Messungen bei Raumtemperatur als signifikant geringer heraus.

Daraus ergibt sich eine deutlich größere Häufigkeit dieses primordialen Moleküls, das als Kühlmittel zur Bildung von Sternen und Galaxien im frühen Universum beiträgt. [Science, 18. Juli 2019]

Nur drei Minuten nach dem Urknall stand die chemische Zusammensetzung des Universums fest: 75% Wasserstoff, 25% Helium und Spuren von Lithium – erzeugt in der primordialen Nukleosynthese.

In diesem frühen Zustand war die gesamte Materie aber noch vollständig ionisiert, bestehend aus freien nackten Atomkernen und einem heißen Elektronengas – ein „nebliges“ Plasma für die kosmische Hintergrundstrahlung. Ungefähr 400.000 Jahre später hatte sich das expandierende Universum soweit abgekühlt, dass Elektronen und Kerne begannen, sich zu neutralen Atomen zu verbinden.

Es wurde durchsichtig, aber es gab noch keine Sterne, weshalb diese Ära das „Dunkle Zeitalter“ genannt wird. Mit weiter fallender Temperatur bildete sich durch Kollision von Helium mit noch vorhandenen freien Protonen das erste Molekül: das Heliumhydrid-Ion (HeH⁺) – der Anfang der Chemie. HeH⁺ und andere frühe Moleküle spielten durch Infrarotemission eine entscheidende Rolle zur Kühlung primordialer Gaswolken, ein notwendiger Schritt zur Sternentstehung.

Das Verständnis und die Modellierung dieser Prozesse erfordern eine detaillierte Kenntnis der Häufigkeit und der Reaktionsraten der relevanten Moleküle. Jedoch ist der Wissensstand hierüber bislang sehr begrenzt, insbesondere im Bereich niedriger Temperaturen (< 100 K) des späten Dunklen Zeitalters, als sich etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne bildeten. Kürzlich wurde HeH⁺ anhand seiner Fern-Infrarot-Strahlung erstmals in unserer Galaxis nachgewiesen [1].

Die Häufigkeit von HeH+ hängt kritisch von Reaktionen ab, die dieses abbauen. Bei niedrigen Temperaturen dominiert der Abbau durch die sogenannte dissoziative Rekombination (DR) mit freien Elektronen dominiert. Sobald Heliumhydrid durch einen Elektroneneinfang neutralisiert ist, zerfällt es in Helium- und Wasserstoff-Atome.

Bisher in Datentabellen für die Reaktionsraten verfügbare Werte beruhten auf Laborexperimenten bei Raumtemperatur. Unter diesen Bedingungen befinden sich die Moleküle in recht hohen Rotations-Anregungszuständen, die immer im Verdacht standen, den Elektroneneinfangprozess zu beeinflussen.

Um einen tieferen Einblick in das Verhalten bei niedrigen Temperaturen zu gewinnen, haben Physiker der Abteilung von Klaus Blaum am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) [2] Stöße von HeH⁺ mit Elektronen am kryogenen Speicherring CSR des Instituts untersucht.

Diese weltweit einzigartige Maschine wurde für Laborastrophysik unter Weltraumbedingungen – hinsichtlich Temperaturen und Dichten – entworfen und aufgebaut. Der CSR bietet eine Umgebung mit Temperaturen unter 10 K und ein exzellentes Vakuum (beobachtet wurden weniger als 10⁻¹⁴ mbar).

Die Rekombination wurde an einem Elektronentarget untersucht, wo der gespeicherte Ionenstrahl über eine Strecke von etwa 1 m in einem gleichgerichteten Elektronenstrahl eingebettet ist (Bild 1). Die relativen Geschwindigkeiten lassen sich bis zum Wert Null einstellen, was einen Zugang zu sehr geringen Kollisionsenergien bietet.

Die Reaktionsprodukte aus der Elektron-Ion-Wechselwirkungszone werden stromab nachgewiesen, was die Bestimmung absoluter Reaktionsraten erlaubt (Bild 1).

Bei einer Temperatur von 6 K im Inneren des CSR beobachteten die Wissenschaftler, wie die gespeicherten HeH⁺-Ionen innerhalb von einigen zehn Sekunden durch Strahlungskühlung in den Rotationsgrundzustand übergehen. Während dieses Kühlvorgangs konnten sie die Besetzung der einzelnen Rotationszustände verfolgen und daraus die zustandsabhängigen DR-Wahrscheinlichkeiten extrahieren (Bild 2).

„Wir bestimmen für die niedrigsten Rotationsniveaus von HeH⁺ eine Rekombinationsrate, die bis zu einem Faktor 80 unterhalb der Werte in den bisher verwendeten Datentabellen liegt“, sagt Oldřich Novotný, leitender Wissenschaftler des Experiments. „Der dramatische Rückgang liegt vor allem an den in unseren Labormessungen verwendeten niedrigen Temperaturen. Daraus folgt wiederum eine stark erhöhte Häufigkeit dieses primordialen Moleküls in der Ära der ersten Sternentstehung und Galaxien.“

Die neuen, beispiellos detaillierten Ergebnisse haben hohe Relevanz sowohl für das Verständnis der Reaktion an sich als auch für die Modellierung des frühen Universums. Für die Theorie molekularer Kollisionen ist das HeH⁺-System weiterhin eine Herausforderung. Die neuen Resultate sind hier eine Messlatte für die Berechnungs-Codes.

Aus den experimentellen DR-Reaktionsraten – nunmehr für verschiedene Elektronenenergien und Rotationszustände verfügbar – lassen sich die Umgebungseigenschaften in Modellrechnungen für die Chemie des primordialen Gases ableiten. Diese, wie auch zukünftige Studien am CSR liefern vielfältig anwendbare Daten.

Angesichts des bevorstehenden Starts des James-Webb-Weltraumteleskops kommen die neuen Möglichkeiten der Laborastrophysik gerade zur rechten Zeit, wird doch seine Suche nach den ersten leuchtenden Objekten und Galaxien nach dem Urknall erheblich von verlässlichen Vorhersagen zur Chemie des frühen Universums profitieren.

Dr. Oldřich Novotný
Tel.: (+49)6221-516-547
E-Mail: oldrich.novotny(at)mpi-hd.mpg.de

Apl. Prof. Dr. Andreas Wolf
Tel.: (+49)6221-516-503
E-Mail: andreas.wolf(at)mpi-hd.mpg.de

Prof. Dr. Klaus Blaum
Tel.: (+49)6221-516-850
E-Mail: klaus.blaum(at)mpi-hd.mpg.de

Quantum state selective electron recombination studies suggest enhanced abundance of primordial HeH⁺
Oldřich Novotný, Patrick Wilhelm, Daniel Paul, Ábel Kálosi, Sunny Saurabh, Arno Becker, Klaus Blaum, Sebastian George, Jürgen Göck, Manfred Grieser, Florian Grussie, Robert von Hahn, Claude Krantz, Holger Kreckel, Christian Meyer, Preeti M. Mishra, Damian Muell, Felix Nuesslein, Dmitry A. Orlov, Marius Rimmler, Viviane C. Schmidt, Andrey Shornikov, Aleksandr S. Terekhov, Stephen Vogel, Daniel Zajfman, Andreas Wolf
Science, 18. Juli 2019, DOI: 10.1126/science.aax5921

https://www.mpg.de/13364729/heliumhydrid-im-al [1] Molekül vom Ursprung des Universums (Forschungsmeldung der MPG)
https://www.mpi-hd.mpg.de/blaum/index.de.html [2] Abteilung gespeicherte und gekühlte Ionen am MPIK
https://arxiv.org/abs/1606.01525 [3] The Cryogenic Storage Ring CSR