Herschels Infrarotaufnahme eines Teils der Taurus-Molekülwolke, in der links unten die helle, kalte prästellare Wolke L1544 zu sehen ist. Sie ist von vielen anderen Gas- und Staubwolken unterschiedlicher Dichte umgeben.(Bildnachweis: ESA/Herschel/SPIRE)
In der Taurus-Molekülwolke, einer der der Erde am nächsten gelegenen stellaren Kinderstuben, fanden Wissenschaftler zwei nitrilhaltige Moleküle – und das ist unglaublich interessant, denn genau diese Moleküle könnten Aufschluss über die Ursprünge des Lebens, wie wir es im Universum kennen, geben.
Die Taurus-Molekülwolke (TMC-1) ist eine interstellare Wolke in den Sternbildern Taurus und Auriga, und die neu entdeckten Moleküle darin sind als Malononitril und Maleonitril bekannt. Die Moleküle wurden mit Hilfe von Daten aus der laufenden QUIJOTE-Linienvermessung von TMC-1 entdeckt, die mit dem Yebes-Teleskop in Spanien durchgeführt wird. Ihr Vorhandensein deutet darauf hin, dass im Weltraum komplexe chemische Prozesse ablaufen – Prozesse, die Hinweise auf die Entstehung des Lebens liefern könnten.
„Dinitrile, wie Malononitril, wurden als Vorläufer bei der präbiotischen Synthese von Purinen und Pyrimidinen erkannt, die das Herzstück von RNA und DNA sind“, erklärt Marcelino Agúndez Chico, Forscher am Instituto de Física Fundamental (CSIC) in Madrid, Spanien, gegenüber kosmischeweiten.de. „Je mehr wir forschen, desto mehr erkennen wir, dass Molekülwolken in der Lage sind, präbiotische Moleküle zu synthetisieren.“
In den letzten Jahren gab es eine aufregende Phase in der Astrochemie, in der neue Beobachtungstechniken und fortschrittliche Teleskope es den Wissenschaftlern ermöglicht haben, eine Flut neuer Moleküle mit überraschender Komplexität im All zu entdecken. „Es scheint keine Grenzen für die chemische Komplexität zu geben, die der interstellare Raum hervorbringen kann“, so Agúndez. „Kalte interstellare Wolken werden nicht mehr als träge Orte betrachtet, sondern als sehr aktive chemische Laboratorien.“
Zu den gängigen Molekülarten gehören solche, die eine Nitrilgruppe enthalten, die aus dreifach gebundenen Kohlenstoff- und Stickstoffatomen besteht. Diese Art von Molekülen ist in der Tat besonders häufig. „Die Nitrilgruppe ist außerordentlich stabil“, sagt Agúndez. „Kohlenstoff und Stickstoff werden durch eine Dreifachbindung zusammengehalten, die sich als eine der stärksten chemischen Bindungen in der Natur erweist.“
Die interstellare Chemie unterscheidet sich jedoch von der Chemie auf der Erde, wo Reaktionen normalerweise zu den stabilsten Produkten führen. Im Weltraum, einer kalten, energiearmen Umgebung, wird das Ergebnis chemischer Reaktionen eher von der Geschwindigkeit oder einfach von der Wahrscheinlichkeit des Eintretens einer Reaktion bestimmt als von der Stabilität. Das bedeutet, dass Reaktionen, die schnell ablaufen, auch wenn sie nicht zu den stabilsten Produkten führen, tendenziell gegenüber langsameren Reaktionen dominieren.
Diese Stabilität in Verbindung mit der Wahrscheinlichkeit ihrer Bildung führt dazu, dass Nitrile häufiger vorkommen als andere Molekülarten, die sich leichter zersetzen oder abreagieren können.
Um die neu entdeckten Nitrilmoleküle mit der Chemie in Verbindung zu bringen, die das Leben auf der Erde ausgelöst haben könnte, müssen Astrochemiker die interstellaren Reaktionen identifizieren, die sie hervorgebracht haben. Daher suchten Agúndez und seine Kollegen nach anderen Molekülen, die als Ausgangsmaterial für die beiden entdeckten Nitrile gedient haben könnten und die potenzielle Einblicke in die Reaktionswege bieten, die zu ihrer Bildung geführt haben.
Hier ist, was sie gefunden haben.
Das Team berichtet, dass Malononitril und Maleonitril in der TMC-1-Wolke acht- bzw. dreimal weniger häufig vorkamen als ähnliche Moleküle, bei denen eine der Stickstoff-Dreifachbindungen durch eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung ersetzt wurde.
Eine mögliche reaktive Spezies, die als „Radikal“ bezeichnet wird und zur Bildung sowohl der Moleküle mit der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung als auch von Malononitril und Malononitril führen kann, wurde ebenfalls in ihrer Kohlenstoffform etwa zehnmal häufiger gemessen als Nitrilradikale. „Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung ist sehr schwer zu brechen, wenn sie einmal entstanden ist, und TMC-1 ist reich an Kohlenwasserstoffen“, so Agúndez. Es ist daher nicht überraschend, dass die Moleküle auf Kohlenstoffbasis häufiger vorkommen als die auf Nitrilbasis.
Das Team war in der Lage, mithilfe chemischer Modelle einen Reaktionsweg für die Herstellung von Malonitril vorzuschlagen. Bei Malononitril stießen die Forscher jedoch an eine Grenze: Sie konnten nicht nachweisen, wie es in der kalten interstellaren Wolke gebildet wurde.
Dies hängt mit einer Herausforderung zusammen, mit der das Fachgebiet konfrontiert ist, sagt Agúndez – nämlich dass die Geschwindigkeit der neu entdeckten Moleküle die Fähigkeit der bestehenden Modelle übersteigt, ihre Bildung zu erklären. So ist beispielsweise Maleonitril derzeit nicht in den chemischen Datenbanken enthalten.
„Die enorme Geschwindigkeit, mit der [in den letzten] etwa drei Jahren Moleküle im Weltraum entdeckt werden, kann von chemischen Modellen nicht verarbeitet werden“, erklärte Agúndez. „Viele der entdeckten Moleküle sind nicht einmal in den in der Astrochemie verwendeten Reaktionsnetzwerken enthalten. Um zu verstehen, wie sie gebildet werden, müssen wir viele neue Reaktionen untersuchen.“
Agúndez sagt, dass sie derzeit an einer Lösung arbeiten, die sie in einer zukünftigen Studie veröffentlichen werden. Die hier und in anderen Studien gesammelten Daten tragen jedoch dazu bei, eine wachsende Wissensbasis zu schaffen, mit deren Hilfe die Wissenschaftler das Geheimnis des Lebens im Universum lüften können – und es vielleicht sogar eines Tages anderswo finden werden.
„Die Daten, die wir für andere Wolken haben, sind nicht so empfindlich, aber es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass TMC-1 etwas Besonderes ist“, sagte Agúndez. „Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Chemie, die wir in TMC-1 entdecken, auch in vielen anderen Molekülwolken in unserer Galaxie vorkommt.
„Die Tatsache, dass wir jetzt wissen, dass sie in interstellaren Wolken reichlich vorhanden sind, liefert ein zusätzliches Teil des Puzzles der präbiotischen Moleküle, von denen wir mit Sicherheit wissen, dass sie im interstellaren Raum synthetisiert werden“, schloss er.
