Die Chemie des Universums

Am FLASH-Laser haben Hamburger und Heidelberger Physiker erstmals den Aufbruch von Molekülionen durch harte UV-Strahlung abgebildet und somit einen experimentellen Zugang zu bestimmten chemischen Prozessen im Universum demonstriert.

Max-Planck-Wissenschaftler haben in Zusammenarbeit mit dem DESY Hamburg am FLASH-Laser in einem Pionierexperiment erstmals den Aufbruch von Molekülionen durch harte UV-Strahlung abgebildet. Die Ergebnisse weisen nach, dass bisherige theoretische Modellrechungen unvollständig waren, und demonstrieren zugleich einen nunmehr experimentellen Zugang zu bestimmten chemischen Prozessen im Universum. Wie sich hochangeregte molekulare Materie unter dem Einfluss energiereicher elektromagnetischer Strahlung verhält, wird damit unter Laborbedingungen beobachtbar. Dies bedeutet einen erheblichen Fortschritt für die Grundlagenforschung, aber auch für angewandte Wissenschaften.

Das Verhalten hochangeregter molekularer Materie wirft seit längerer Zeit bislang unbeantwortete Fragen sowohl für die Grundlagenforschung als auch im Hinblick auf mögliche Anwendungen auf. Dies gilt im Besonderen für die Wechselwirkung von Molekülionen, d. h. Molekülen, aus denen ein oder mehrere Elektronen entfernt wurden, mit energetischer elektromagnetischer Strahlung (fernes Ultraviolett (UV) oder Röntgenstrahlung). Im Vergleich zu den Ergebnissen, die in den letzten Jahren bereits für die Wechselwirkung zwischen Molekülionen und Elektronen in Speicherringen erreicht wurden, hat die zu geringe Intensität geeigneter Strahlungsquellen ähnliche Fortschritte mit UV- und Röntgenlicht bisher verhindert. Kürzlich in Betrieb genommene Laserlichtquellen für diesen Wellenlängenbereich erweitern nun die experimentellen Möglichkeiten auf diesem Gebiet in geradezu revolutionärer Weise.

Während die meisten Moleküle im sichtbaren Licht intakt bleiben und sich allenfalls zu höherer chemischer Aktivität anregen lassen, lässt harte UV- oder Röntgenstrahlung sie häufig in ihre Bestandteile aufplatzen. Die Elektronen des Moleküls nehmen dabei die Energie eines Stahlungsquantums auf und es entsteht ein energiereiches instabiles Gebilde, das innerhalb kürzester Zeit zerfällt, wobei sich die Atome neu anordnen und als Bruchstücke – kleinere Moleküle oder auch Atome – wegfliegen. Diese Prozesse sind von großer Bedeutung für chemische Reaktionsketten und -zyklen in verschiedenen Bereichen, so in interstellaren Molekülwolken oder im frühen Universum, aber auch in der hohen Atmosphäre oder in industriellen Plasmen. Molekülionen wie auch ihre Bruchstücke, z. B. so genannte Radikale, erweisen sich dabei oft als besonders reaktiv und ihre Wechselwirkungen mit harter UV-Strahlung sind noch kaum erforscht. Vorhersagen, wie sich die Strahlungsenergie nach ihrer Aufnahme auf die Bestandteile eines Moleküls überträgt, sind kompliziert, variieren oft von Molekül zu Molekül und ließen sich bisher kaum durch Experimente überprüfen. Somit ist man vielfach auf Modellrechnungen angewiesen, die wiederum auf Grund der Komplexität der Prozesse Näherungen beinhalten.

Abbildung: Links: Aufbruch der chemischen Bindung des Molekülions HeH+ durch hartes UV-Licht bei 32 nm Wellenlänge parallel (a) und senkrecht (b) zur Polarisationsrichtung der Photonen (blauer Doppelpfeil). Rechts: Flugzeiten und Orte der nachgewiesenen Fragmente. Die Farbskala (von blau nach rot) gibt die Häufigkeit der Ereignisse an. Es wird vorzugsweise ein Aufbruch des Moleküls senkrecht zur Polarisation (Doppelpfeil) beobachtet. Die Ereignisse formen einen Ring, dessen Radius Auskunft über die Energiebilanz der Reaktion liefert. (Grafik: MPI für Kernphysik)

Ziel der Experimentatoren war daher, den Aufbruch einzelner Moleküle im freien Raum zu beobachten und möglichst alle Bruchstücke ungestört durch die Umgebung in ihrer Bewegung und ihrem inneren Zustand zu vermessen – eine anspruchsvolle Aufgabe! Hierzu bringen die Forscher des Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik Moleküle auf hohe Geschwindigkeit, so dass sie einen scharf ausgerichteten Strahl bilden. Während des schnellen Fluges wird ihr Zerfall durch Elektronen oder energiereiche Strahlung ausgelöst. Die Bruchstücke fliegen dann in einem engen Winkelbereich nach vorn weiter, und jedes einzelne hat dabei genug Energie um auf Nachweisgeräten zuverlässig abgebildet zu werden.

Diese Fragmentabbildung mit Hochgeschwindigkeits-Molekülstrahlen ist nun am FLASH, dem neuen Free electron LASer in Hamburg bei DESY, für einzelne Moleküle mit harter UV-Strahlung erstmals gelungen. Für intensive Strahlungspulse im harten UV- oder im weichen Röntgenbereich ist FLASH ist der weltweit erste Freie-Elektronen-Laser. Nach dem Laserprinzip ist die Wellenlänge der Strahlung genau festgelegt; zudem besitzt sie eine definierte Schwingungsrichtung (Polarisation) sowie extrem kurze Pulsdauern. Dabei ist diese Quelle um Größenordungen intensiver als alle bisher in Labors verfügbaren Laser für diesen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. In den ersten Experimenten der Max-Planck-Forscher bei FLASH wurde das Molekülion HeH+ untersucht. Es ist eines der grundlegenden Moleküle und sein genaues Verständnis daher von weitreichender Bedeutung, so z. B. für die Chemie des frühen Universums. Auch tritt es beim Zerfall des radioaktiven Tritium-Moleküls (T2) auf, das bei Präzisionsmessungen der Neutrinomasse benutzt wird.

Der FLASH-Strahl wurde mit dem Hochgeschwindigkeits-Molekülstrahl gekreuzt und beleuchtete dann bei jedem Puls ca. 25 schnelle Moleküle. Bei einer Wellenlänge von 32 nm verursacht einer von ca. 1000 Laserpulsen den Zerfall eines einzigen Moleküls, dessen Bruchstücke dann nach einem Meter Flugstrecke mit ungefähr zehn Zentimeter großen Detektoren nachgewiesen wurden (Abb.). Aus dem Auftreffort und der Flugzeit der Bruchstücke vom gut definierten Wechselwirkungspunkt aus kann deren Bewegung dreidimensional rekonstruiert werden, was detaillierte Informationen über jeden einzelnen Zerfallsprozess liefert. Zerbricht das Molekül entlang der Polarisation der FLASH-Photonen (dargestellt durch den hellblauen Doppelpfeil), welche parallel zur Flugrichtung der Moleküle gewählt wurde, so erhält man ein etwas langsameres und ein etwas schnelleres Fragment, welche nacheinander auf den Detektor auftreffen (a). Umgekehrt werden beim Aufbruch senkrecht zur Polarisation die Fragmente praktisch zeitgleich an verschiedenen Orten auf dem Detektor nachgewiesen (b). Das in der Abbildung rechts gezeigte Ergebnis der Messungen ergab nun eine Überraschung: Die bisher theoretisch betrachteten Molekülzustände hätten für diesen Prozess einen Aufbruch entlang der Polarisation gezeigt. Dagegen fanden die Max-Planck-Forscher überwiegend senkrecht zur Polarisation gerichtete Fragmente, was darauf hindeutet, dass bei Modellrechungen viele der wesentlichen Molekülzustände von HeH+ für diesen Prozess bisher nicht genug Beachtung gefunden haben.

Die Messungen bei FLASH demonstrieren eine Methode, Molekülfragmentation durch energiereiche Strahlung in Einzelprozessen zu abzubilden. In Zukunft wollen die Forscher diese Prozesse auch in komplexeren Molekülen untersuchen. Die so zu gewinnenden Daten sind von weitreichender Bedeutung z. B. für die Frage der Synthese organischer Moleküle im interstellaren Raum und ihrer Überlebensfähigkeit in den Strahlungsfeldern dort. Angesichts der überraschenden Ergebnisse schon an dem einfachen System HeH+ darf man gespannt die weitere Entwicklung dieses neuen Forschungsfeldes verfolgen.

Quelle: Max-Planck-Institut für Kernphysik

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  H. B. Pedersen, S. Altevogt, B. Jordon-Thaden, O. Heber et al., Crossed Beams Photodissociation Imaging of HeH+ with Vacuum Ultraviolet Free-Electron Laser Pulses, Physical Review Letters 98, 223202 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.223202
• Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg:
  http://www.mpi-hd.mpg.de
• Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY) Hamburg:
  http://www.desy.de