29.07.2019

Heliumhydrid-Ionen erstaunlich robust

Messungen am kryogenen Speicherring CSR zeigen deutlich geringere Zerstörungsraten als erwartet.

Nur drei Minuten nach dem Urknall stand die chemische Zusammensetzung des Universums fest: 75 Prozent Wasserstoff, 25 Prozent 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. Heliumhydrid 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 (unter 100 Kelvin) des späten dunklen Zeitalters, als sich etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne bildeten. Kürzlich wurde Heliumhydrid anhand seiner Fern-Infrarot-Strahlung erstmals in unserer Galaxis nachgewiesen.
 

Abb.: Schemazeichnung der CSR-Ringstruktur mit gespeichertem Ionenstrahl (rot),...
Abb.: Schemazeichnung der CSR-Ringstruktur mit gespeichertem Ionenstrahl (rot), überlagertem Elektronenstrahl (blau), Reaktionsprodukten (grün) und Teilchendetektor (unten: detaillierte Reaktion; Bild: MPIK)

Die Häufigkeit von Heliumhydrid hängt kritisch von Reaktionen ab, die dieses abbauen. Bei niedrigen Temperaturen dominiert der Abbau durch die dissoziative Rekombination (DR) mit freien Elektronen. 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) Stöße von Heliumhydrid 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 zehn Kelvin 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 einem Meter in einem gleichgerichteten Elektronenstrahl eingebettet ist. 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.

Bei einer Temperatur von sechs Kelvin im Inneren des CSR beobachteten die Wissenschaftler, wie die gespeicherten Heliumhydrid-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.

„Wir bestimmen für die niedrigsten Rotationsniveaus von Heliumhydrid eine Rekombinationsrate, die bis zu einem Faktor achtzig 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 Heliumhydrid-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. 

MPIK / DE


 

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