Mit chemischen Details nehmen Astronomen es nicht so genau: Sie fassen sämtliche Elemente – mit Ausnahme von Wasserstoff und Helium – unter dem Sammelbegriff „Metalle” zusammen. Generell kann man schwerere Elemente als Helium tatsächlich vernachlässigen, da mehr als 98 Prozent der sichtbaren Materie im All aus Wasserstoff und Helium bestehen. Doch die restlichen knapp 2 Prozent haben es in sich: Trotz Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt und Dichten, die aus irdischer Perspektive als Vakuum gelten, verbinden sich diese Elemente zu Molekülen.
Erst langsam kommen Wissenschaftler ihrer Vielfalt und ihren Entstehungsmechanismen auf die Spur. Das erste interstellare Molekül wurde 1937 nachgewiesen: CH, ein an ein Wasserstoff-Atom gebundenes Kohlenstoff-Atom. Dieses sogenannte Methin-Radikal kommt auf der Erde nur fest eingebaut vor: als Bestandteil von Kohlenwasserstoffen wie Propen oder Isobutan. Bis heute sind rund 180 verschiedene Moleküle dazugekommen – sowohl in unserer Milchstraße als auch in anderen Galaxien.
Wissenschaftler identifizieren Moleküle anhand ihrer charakteristischen Spektrallinien: Genau wie Atome absorbieren und emittieren Moleküle elektromagnetische Strahlung nur bei ganz bestimmten Wellenlängen. Während diese Linien bei Atomen durch Anregung von Elektronen zustande kommen, gibt es bei Molekülen zusätzliche Linien durch die Anregung von Schwingungen und Rotationen.
Den Weltraum ins Labor geholt
Einfache zweiatomige Moleküle wie das Methin-Radikal lassen sich anhand ihrer Elektronenübergänge identifizieren. Doch ab dreiatomigen Molekülen wird es schwierig, sagt Thomas Giesen von der Universität Kassel: „Wasser zum Beispiel hat ein sehr kompliziertes Linienmuster. Darin sind erst einmal gar keine regelmäßigen Strukturen zu erkennen.” Bei den vielen Tausend Spektrallinien von Wasser kommen die Forscher mit theoretischen Berechnungen der Energieübergänge und der zugehörigen Linien nicht weiter.
Daher werden Laborastrophysiker wie Thomas Giesen und seine Kollegen gebraucht. Die Fachgruppe aus Kassel baut Moleküle nach, die im Weltraum vorkommen, und bestimmt anschließend deren Spektrallinien – zum Beispiel Kohlenstoff-Cluster, also Moleküle, die ausschließlich aus kleinen Gruppen von Kohlenstoff-Atomen bestehen.
Nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff ist Kohlenstoff das häufigste chemische Element im All. Das spiegelt sich in der Zusammensetzung der interstellaren Moleküle wider: Die meisten enthalten Kohlenstoff. Auf der Erde kommt reiner Kohlenstoff in der Natur hauptsächlich in zwei Modifikationen vor – als Diamant und als Grafit. Bei den viel geringeren Temperaturen und Drücken im Weltall können aber zahlreiche weitere Modifikationen entstehen, die auf der Erde instabil sind. Dazu gehören die fußballförmigen Fullerene. Das Buckminster-Fulleren C60 – es besteht aus 60 Kohlenstoff-Atomen – gehört zu den größten bisher entdeckten interstellaren Molekülen (siehe Kasten S. 54, „ Chemische Fundsachen im All”).
Um Kohlenstoff-Cluster wie C60 herzustellen, muss man Weltallbedingungen im irdischen Labor simulieren. Im ersten Schritt wird das Ausgangsmaterial Grafit in einer Vakuumkammer mithilfe von Lasern verdampft und in seine Atome zerlegt. Danach leiten die Forscher mit Überschallgeschwindigkeit Helium-Gas ein. „Das Gas expandiert dabei, und zwar so effektiv, dass es sich innerhalb von zehn Mikrosekunden von 4500 Kelvin – wo Grafit verdampft – auf 20 Kelvin abkühlt”, erklärt Giesen.
„Mit einem einzigen Ausgangsstoff kann man auf diese Weise locker 100 verschiedene Molekülsorten erzeugen, die sich nur in Größe und Struktur unterscheiden”, freut sich der Laborastrophysiker. Die Form der resultierenden Kohlenstoff-Cluster hängt von der Zahl ihrer Atome ab. Sehr kleine Cluster sind kettenförmig. Ab etwa 10 Atomen schließen sich die Ketten zu Ringen zusammen. Ab mehr als 30 Kohlenstoff-Atomen bilden sich dreidimensionale Strukturen – unter anderem Fullerene.
Nach der Vermessung der spektralen Fingerabdrücke im Labor begeben sich die Astronomen auf die Jagd am Himmel. Ein beliebtes Ziel ist die Riesenmolekülwolke Sagittarius B2 nahe dem Galaktischen Zentrum. Mehr als die Hälfte aller bekannten interstellaren Moleküle wurden in diesem Sternentstehungsgebiet entdeckt. Sein molekularer Reichtum ist auf das extreme Umfeld zurückzuführen: Mit rund 3000 Wasserstoff-Atomen pro Kubikzentimeter ist die Materiedichte hier um ein Vielfaches höher als in anderen Molekülwolken. Die beste Chance, neue Molekülsorten aufzustöbern, haben die Astrophysiker ab einer Dichte von rund 10 Millionen Wasserstoff-Atomen pro Kubikzentimeter.
In besonders aktiven Sternentstehungsgebieten herrscht oft irdische Zimmertemperatur. „Deshalb werden die Moleküle dort ziemlich leicht angeregt, und es ist einfach, sie zu beobachten”, sagt Jes Jørgensen von der Universität Kopenhagen. Einen besonders dichten, heißen Gasklumpen tauften die Astrophysiker „ Large Molecule Heimat”. Dort entdeckten sie die bislang komplexesten interstellaren Moleküle – unter anderem den Alkohol Ethanol sowie Formaldehyd und Essigsäure.
Auch das Molekül, für das sich Jørgensen ganz besonders interessiert, wurde von seinem Team schon 2000 erstmals in Sagittarius B2 beobachtet: Glycolaldehyd, ein einfacher Zucker. Trotzdem war dessen Nachweis im Doppelsternsystem IRAS 16293–2422 noch 2012 eine Veröffentlichung in der renommierten Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters wert. „IRAS 16293 ist einer der nächsten sonnenähnlichen Protosterne”, sagt Jørgensen. Während Sagittarius B2 einige Zehntausend Lichtjahre von der Erde entfernt ist, befindet sich IRAS 16293–2422 mit einer Distanz von rund 400 Lichtjahren in der kosmischen Nachbarschaft. „Wenn wir unser eigenes Sonnensystem verstehen wollen, ist es wichtig, nahe Systeme zu beobachten”, sagt Jørgensen.
Zuckermoleküle im Anflug
Das Doppelsternsystem im Sternbild Schlangenträger ist von einer Materiescheibe umgeben, aus der sich künftig Planeten formen könnten. Die Forscher nutzten mit ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) das weltweit größte Radioteleskop und fanden so heraus, dass sich die Zuckermoleküle auf einen der beiden Protosterne zu bewegen. Glycolaldehyd ist eine der Zutaten, die nötig sind, um Ribonukleinsäure (RNA) entstehen zu lassen. Dieses Makromolekül ist der Erbsubstanz Desoxyribonukleinsäure (DNA) sehr ähnlich und gilt als Baustein bei der Evolution erster lebender Zellen. Das heißt zwar nicht, dass sich in IRAS 16293–2422 aus den Zuckermolekülen zwangsläufig Leben entwickeln müsste. Aber immerhin sind die richtigen Zutaten zur richtigen Zeit am richtigen Ort – nämlich während der Planetenentstehung bei einem jungen Stern.
Auch die Hüllen alter Sterne haben interessante Moleküle zu bieten. Allerdings gibt es dort nicht viele komplexe organische Moleküle, also Verbindungen mit Kohlenstoff. Stattdessen verfügen diese alten Sterne – wie CW Leonis im Sternbild Löwe – über einen höheren Anteil von Molekülen auf Silizium-Basis. „Im Moment ist die Erforschung der interstellaren Moleküle noch ein bisschen wie Briefmarkensammeln”, sagt Thomas Giesen. „Man hat all diese einzelnen Bausteine – aber wie sieht das Gesamtbild aus?”
Die molekularen Entstehungsprozesse zu verstehen, ist mühsam. Denn die Stoffe sind gasförmig, was viele chemische Reaktionen unmöglich macht. Vermutlich spielen Eis- und Staubteilchen eine wichtige Rolle. Ein Beispiel: Zwei Wasserstoff-Atome geraten an einen Staubkern, der aus Silizium besteht und von einem Eismantel umgeben ist. In der Gasphase würden sich diese beiden Atome nicht zu einem stabilen Molekül verbinden, da dabei Energie freigesetzt wird, die sie wieder auseinanderfliegen lassen würde. Das Staubteilchen hingegen kann diese überschüssige Energie aufnehmen und ableiten – und voilà: Ein Wasserstoff-Molekül ist entstanden.
Auch ultraviolette Strahlung trägt zur Bildung komplexer organischer Moleküle bei, wie ein Team um Murthy Gudipati vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in einer Studie beschreibt. Die Forscher hatten das Verhalten polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) unter Weltraumbedingungen untersucht.
Auf der Erde sind PAK nicht sehr beliebt: Diese von Wasserstoff-Atomen umgebenen Kohlenstoff-Ringe kommen in Verbrennungsabgasen wie Tabakrauch vor und sind im Tierversuch krebserregend. Im Weltraum hingegen kennen Forscher sie als sehr stabile Moleküle, die vor allem in infrarotem Licht an vielen Orten der Galaxis nachgewiesen wurden. Gudipati und seine Kollegen beluden Wassereis mit PAK-Molekülen. Bei Temperaturen von lediglich zehn Kelvin über dem absoluten Nullpunkt bombardierten sie dieses Gemisch mit hochenergetischer ultravioletter Strahlung, ähnlich wie sie von Sternen emittiert wird. „Wenn diese stabilen, fast unzerstörbaren Moleküle mit Eis in Kontakt kommen, reagieren sie sofort”, berichtet Gudipati. „Es entstehen chemisch veränderte Moleküle mit OH- und CH-Bindungen.”
Vorstufen des Lebens
Durch den Einfluss der ultravioletten Strahlung entwickeln sich die PAK zu komplexeren Molekülen weiter. Da diese Reaktion sehr schnell abläuft, könnte das erklären, warum bislang noch keine dieser Kohlenstoff-Verbindungen auf Wassereis nachgewiesen wurde: Sie überleben nicht lange genug. „Also kann sich auch im extrem kalten Weltall mit Molekülen wie PAK eine komplexe Chemie herausbilden”, schließt Gudipati daraus. Die dabei entstandenen Moleküle sind eine Vorstufe in Richtung Aminosäuren, aus denen die Eiweißstoffe (Proteine) bestehen. Aminosäuren gehören genau wie die Ribonukleinsäure zu den Bausteinen des Lebens.
Einen weiteren möglichen Prozess der Molekülentstehung beschrieb vor Kurzem ein britisches Forscherteam in der Fachzeitschrift Nature Chemistry. 2012 wurde das Methoxy-Radikal (CH3O) im All nachgewiesen. Seine Bildung ließ sich nicht durch Gas- und Staubteilchen erklären. Die Forscher nahmen zunächst an, dass es aus Alkohol entstanden war – doch die Bestrahlung von Methanol auf Eis im Labor ergab keinerlei Methoxy-Radikale. Kann es also doch sein, dass trotz extremer Kälte manche Moleküle in der Gasphase miteinander reagieren?
Die Briten wollten diese Frage experimentell beantworten. Bei minus 210 Grad Celsius ließen sie Methanol und Hydroxyl-Radikale (OH), eine Verbindung aus einem Wasserstoff- und einem Sauerstoff-Atom, aufeinander los. Die beiden Gase bildeten tatsächlich die gesuchten Methoxy-Radikale, obwohl aufgrund der extremen Kälte ihre Energie dafür eigentlich nicht hätte ausreichen dürfen. Die Forscher spekulieren: Statt dass die Moleküle die Energiebarriere überwinden, graben sie sich sozusagen unten durch – mithilfe des Quantentunneleffekts, eines Phänomens, das auch für bestimmte radioaktive Zerfälle verantwortlich ist.
All diese Prozesse und die Vielzahl an bisher gefundenen Molekülen lassen auf eine große chemische Vielfalt im All schließen. Heißt das auch, dass es mit zunehmendem Alter des Universums immer komplexere Moleküle geben sollte – eine kosmo-chemische Evolution also?
Thomas Giesen macht diese Hoffnung zunichte: „Im Weltall gibt es immer zwei konkurrierende Prozesse. Zum einen sind da beispielsweise Stauboberflächen, auf denen leicht Moleküle wachsen. Das spricht für eine Evolution. Aber dagegen spricht, dass Moleküle durch UV-Strahlung nicht nur entstehen, sondern auch zerlegt werden können. Sie haben nur eine begrenzte Lebensdauer. Für einfache Moleküle beträgt sie rund 100 Jahre.”
Staub und Eis als Strahlungsschutz
Allerdings bleiben die Moleküle vor der Zerstörung bewahrt, wenn sie in Staub- oder Eiskörnchen eingeschlossen sind. Diese Körnchen wiederum können Teile von Kometen werden, die auf einen neu entstandenen Planeten fallen oder am Rand eines Sonnensystems Jahrmilliarden überdauern. Deshalb liefern diese Himmelskörper den Astronomen wichtige Hinweise, was im Weltall noch zu finden sein dürfte.
Ganz oben auf der Fahndungsliste steht das Glycin, die einfachste Aminosäure. In Kometen wurden nämlich bereits Aminosäuren gefunden – in freier Form im All bislang lediglich eine molekulare Vorstufe davon. Neben der Suche nach diesem „ Heiligen Gral” beschäftigt die Astronomen in gleicher Intensität das Problem der diffusen interstellaren Banden: Spektrallinien, die seit Jahrzehnten immer wieder gemessen werden, aber bisher keinem bekannten Molekül zugewiesen werden konnten (siehe Kasten links, „Staub unter Verdacht”).
Für Thomas Giesen lauten die Schlüsselfragen seiner Disziplin: „Wie komplex ist die interstellare Chemie – gibt es dort draußen Vorformen von organischem Leben?” Manches deutet auf kosmische Bausteine des Lebens hin. Aber es ist keineswegs klar, ob solche komplexen organischen Moleküle aus dem Weltraum die Zutaten zur Entstehung des irdischen Lebens geliefert haben. •
Franziska Konitzer hat Physik und Astrophysik studiert. Sie findet Chemie im All viel spannender als auf der Erde.
von Franziska Konitzer
