Dieses Bild des Orionnebels, des hellsten Flecks im Schwert des Sternbilds Orion, zeigt kohlenstoffreiche Moleküle, die als polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) bezeichnet werden, als rote und orangefarbene Strähnen. Dieses Bild wurde von den Teleskopen Hubble und Spitzer aufgenommen, zwei Vorgängern des James Webb Space Telescope (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/STScI)
Astronomen haben in der Taurus-Molekülwolke, 430 Lichtjahre von der Erde entfernt, eines der größten Moleküle auf Kohlenstoffbasis entdeckt, das im tiefen Weltraum zu finden ist. Die Entdeckung ist bedeutsam, weil sie weitere Hinweise liefert, die zur Lösung eines langjährigen Rätsels der Astrochemie beitragen könnten: Woher kommt der Kohlenstoff, der Baustein des Lebens?
Das Pyren genannte Molekül besteht aus vier verschmolzenen planaren Kohlenstoffringen. Es wird daher als polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoff (PAK) eingestuft – eines der am häufigsten vorkommenden komplexen Moleküle im sichtbaren Universum. PAK wurden erstmals in den 1960er Jahren in Meteoriten, den so genannten kohlenstoffhaltigen Chondriten, entdeckt, die Überreste des Urnebels sind, aus dem sich unser Sonnensystem gebildet hat.
„Eine der großen Fragen bei der Stern- und Planetenentstehung ist, wie viel des chemischen Inventars aus dieser frühen Molekülwolke vererbt wird und die Basiskomponenten des Sonnensystems bildet“? sagte Brett McGuire, ein Assistenzprofessor für Chemie am Massachusetts Institute of Technology, in einer Erklärung.
Man geht davon aus, dass
PAHs etwa 20 % des im Weltraum vorkommenden Kohlenstoffs ausmachen und in verschiedenen Stadien des Lebens von Sternen vorhanden sind, von ihrer Entstehung bis zu ihrem Tod. Ihre Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber ultravioletter Strahlung (UV) macht es wahrscheinlich, dass sie auch unter den rauen Bedingungen des Weltraums überleben.
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Die Forscher sagen, dass sie mit der Suche nach Pyren und anderen PAK in der Tauruswolke begannen, nachdem Pyren in hohen Konzentrationen in Proben des erdnahen Asteroiden Ryugu gefunden worden war. Die Entdeckung dieser Moleküle in der Geburtsstätte unseres Sonnensystems stellt eine direkte Verbindung her, nach der Astronomen schon lange gesucht haben.
„Wir sehen uns den Anfang und das Ende an, und beide zeigen das Gleiche“, so McGuire. „Das ist ein ziemlich starker Beweis dafür, dass dieses Material aus der frühen Molekülwolke seinen Weg in das Eis, den Staub und die felsigen Körper findet, aus denen unser Sonnensystem besteht.“
Die Entdeckung wurde mithilfe der Radioastronomie gemacht, einem wichtigen Teilgebiet der Astronomie, das Himmelsobjekte wie Sterne, Planeten, Galaxien und Staubwolken im Radiospektrum beobachtet. Durch die Untersuchung der von diesen Quellen ausgehenden Radiowellen können die Astronomen etwas über die Zusammensetzung, die Strukturen und die Bewegungen bestimmter Objekte erfahren.
Im Vergleich zu anderen Instrumenten, die zur Identifizierung von Molekülen im Weltraum eingesetzt werden, bieten Radioteleskope die Möglichkeit, einzelne Moleküle im Gegensatz zu allgemeinen Molekülgruppen zu beobachten. Sie tun dies, indem sie die einzigartigen „Fingerabdrücke“ der elektromagnetischen Strahlung aufspüren, die ein Molekül bei bestimmten Frequenzen aussendet oder absorbiert, bei denen jedes Molekül eine bestimmte Anzahl von Rotations- und Schwingungsenergieniveaus hat. Charakteristische Radiowellen werden erzeugt, wenn das Molekül zwischen diesen Niveaus wechselt.
„Dies ist nun der siebte einzelne PAK, der im Weltraum identifiziert wurde, seit wir ihn 2021 zum ersten Mal gefunden haben“, sagte Ilsa Cooke, Assistenzprofessorin am Fachbereich Chemie der UBC. „[PAK] haben ähnliche chemische Strukturen wie die Bausteine des Lebens. Wenn wir mehr darüber erfahren, wie sich diese Moleküle bilden und im Weltraum transportiert werden, erfahren wir auch mehr über unser eigenes Sonnensystem und damit über das Leben darin.“
Die Astronomen schätzen, dass Pyren etwa 0,1 % des in der Wolke gefundenen Kohlenstoffs ausmacht. „Das ist eine absolut massive Menge. Eine fast unglaubliche Senke für Kohlenstoff. Es ist eine interstellare Insel der Stabilität“, sagte McGuire.
Abgesehen von der Tatsache, dass Pyren am Ursprungsort unseres Sonnensystems gefunden wurde, war für das Team die Tatsache, dass in der Wolke Temperaturen von nur 10 Kelvin (-263 Grad Celsius) gemessen wurden, noch faszinierender. Auf der Erde entstehen PAK bei Hochtemperaturprozessen, nämlich bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Dass sie in dieser kalten Umgebung gefunden wurden, war daher überraschend. „Zukünftige Arbeiten zielen darauf ab, zu erforschen, ob sich PAK an einem extrem kalten Ort bilden können, oder ob sie von einem anderen Ort im Universum stammen, möglicherweise durch den Todeskampf eines alten Sterns“, so Cooke.
