Interstellare Wasserbildung

Ansammlungen von Gas und Staub im Weltraum können mit Teleskopen von der Erde aus als inter­stellare Wolken beobachtet werden. Trotz der niedrigen Temperaturen und der geringen Dichten findet man in inter­stellaren Wolken eine Vielzahl von Molekülen. Das Rückgrat der kalten inter­stellaren Chemie sind Reaktionen zwischen geladenen und ungeladenen Atomen oder Molekülen.

Im heutigen Universum führen Ionen-Neutral-Reaktionen in der Gasphase zur Bildung größerer Moleküle, vom protonierten Wasser bis hin zu organischen Verbindungen. Trifft eines der protonierten und daher positiv geladenen Moleküle allerdings auf ein freies Elektron, wird es neutralisiert und zerbricht im Normal­fall in neutrale Bruch­stücke. Dieser Prozess führt zu Verbindungen, die von Wasser bis hin zu Alkohol und anderen organischen Verbindungen reichen.

Wie effektiv sind nun diese Prozesse? Hierbei kommt es entscheidend darauf an, ob ein Stoß zwischen den Reaktions­partnern auch tatsächlich zur Reaktion führt, denn in dem dünnen Medium sind Stöße selten. Das lässt sich nur mit Labor­experimenten heraus­finden, die unter Bedingungen wie in inter­stellaren Wolken erfolgen sollten. Da diese aber schwierig zu realisieren sind, basieren bis heute astro­chemische Modelle meist auf Daten, die bei weit höheren Temperaturen und Dichten gemessen wurden, und dement­sprechend nur bedingt Gültigkeit haben.

Wasser entsteht in diffusen inter­stellaren Wolken – in denen Reaktionen auf der Oberfläche von inter­stellarem Staub keine große Rolle spielen – über eine Kette von Prozessen, die von der kosmischen Strahlung gestartet wird. Zwischenprodukte sind das Hydroxyl­ion und das Wasser­kation, die jeweils mit Wasserstoff­molekülen reagieren, wobei sie ein Wasserstoff­atom anlagern und das andere frei­setzen. Eine Messung der Reaktions­raten dieser beiden wichtigen Schritte für die Erzeugung von inter­stellarem Wasser bei tiefen Temperaturen gelang nun der vom europäischen Forschungs­rat geförderten Astrolab-Gruppe von Holger Kreckel am MPI für Kern­physik.

Die Wissenschaftler sperrten die Ionen in einer kryogenen Radio­frequenz-Ionenfalle ein, in der Temperaturen bis zu zehn Grad über dem absoluten Null­punkt erreichbar sind. Bis zu 100 Milli­sekunden nach Zugabe einer definierten Menge Wasserstoff­gas bestimmten sie, wie viele der ursprünglichen Ionen noch vorhanden waren. Aus den Daten haben sie Raten­koeffizienten abgeleitet, die ein Maß dafür sind, wie effizient die Stöße zwischen den Reaktions­partnern sind. Es zeigte sich, dass hier praktisch jeder Stoß zur Reaktion führt.

Parallel dazu haben Kollegen aus Zypern und den USA theoretische Rechnungen mit einer neuartigen Methode durchgeführt, welche auf elegante Weise Analogien zwischen einem Quanten­system und den Eigenschaften von ring­förmigen Molekülen nutzt und damit Quanten­effekte berücksichtigt, welche bei tiefen Temperaturen besonders zum Tragen kommen. Die so berechneten Raten­koeffizienten stimmen hervor­ragend mit den gemessenen überein.

Die neuen Werte sind gegenüber früheren Messungen bei Raum­temperatur deutlich „schneller“. Das hat Auswirkungen auf das Verständnis der inter­stellaren Chemie, die weit über die Wasser­bildung hinausgehen. „Unsere Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, in astro­chemischen Modellen Parameter zu verwenden, die unter Weltraum­bedingungen gemessen wurden“, sagt Holger Kreckel. „Da dies aber experimentell oft schwierig und zeit­aufwändig ist, ist es ebenso wichtig, theoretische Verfahren für Rektionen bei diesen extremen Bedingungen zu entwickeln und anhand von Messungen zu testen. In diesem Fall liegt die Stärke unserer Arbeit in der Kombination von experimentellen und theoretischen Methoden, die auch bei inter­stellaren Bedingungen noch Gültigkeit haben.“

MPIK / DE