Iso-Propanol in Sagittarius B2 Desinfektionsmittel in der Galaxie

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Iso-Propanol kennen einige als Desinfektionsmittel. Nun haben Astronomen das Alkohol-Molekül auch in der Nähe des Zentrums unserer Galaxie entdeckt: in der Sternentstehungsregion Sagittarius B2. Der Nachweis kann dazu beitragen, die Reaktionsmechanismen größerer organischer Moleküle im All besser zu verstehen.

Köln, Bonn – Die Suche nach Molekülen im Weltraum erfolgt bereits seit mehr als 50 Jahren. Bis heute haben Astronomen 276 Moleküle im interstellaren Medium identifiziert. Eine besonders geeignete Sternentstehungsregion in unserer Galaxis, in der Vergangenheit bereits viele Moleküle nachgewiesen werden konnten, ist Sagittarius B2 (Sgr B2), ganz in der Nähe von Sgr A* dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße.

Einer internationalen Gruppe von Astrophysikern unter Beteiligung der Universität zu Köln und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) ist der erstmalige Nachweis des Moleküls Iso-Propanol im interstellaren Raum gelungen, einer Substanz, die auf der Erde als Desinfektionsmittel verwendet wird. Iso-Propanol ist das größte bisher im interstellaren Raum entdeckte Alkoholmolekül und zeigt die zunehmende Komplexität der Mitglieder einer der häufigsten Molekülklassen, die im Weltraum zu finden sind.

„Unsere Gruppe hat vor mehr als 15 Jahren begonnen, die chemische Zusammensetzung von Sgr B2 mit dem 30-m-IRAM-Radioteleskop zu untersuchen“, sagt Arnaud Belloche vom MPIfR in Bonn, der Erstautor der Veröffentlichung zur Entdeckung von Iso-Propanol. „Diese Beobachtungen waren erfolgreich und führten insbesondere zum ersten interstellaren Nachweis einer Reihe von organischen Molekülen, neben vielen anderen Ergebnissen."

Ein Molekülfinder aus der Wüste

Möglich wurde der Nachweis des Alkohols im All durch das „Atacama Large Millimeter/submillimeter Array“ (Alma), das vor zehn Jahren den Betrieb in der chilenischen Atacamawüste aufnahm. Die Alma-Beobachtungen haben seit 2014 zur Identifizierung von drei neuen organischen Molekülen im Weltraum geführt: Isopropylcyanid, N-Methylformamid und Harnstoff. Das neueste Ergebnis des Alma-Projekts stellt nun der Nachweis von Propanol (C₃H₇OH) dar.

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Propanol ist das größte bisher im interstellaren Raum entdeckte Alkoholmolekül. Dieses Molekül existiert in zwei Formen (Isomeren), je nachdem, an welches Kohlenstoffatom die funktionelle Hydroxylgruppe (OH) gebunden ist:

• 1. Normales Propanol, bei dem das OH an ein endständiges Kohlenstoffatom der Kette gebunden ist, und

• 2. Iso-Propanol, bei dem das OH an das zentrale Kohlenstoffatom der Kette gebunden ist.

Beide Isomere von Propanol in Sgr B2 haben Astronmen im Alma-Datensatz identifiziert. Es ist das erste Mal, dass Iso-Propanol im interstellaren Medium und normales Propanol in einer Sternentstehungsregion nachgewiesen wurde. Der erste interstellare Nachweis von Propanol wurde kurz vor dem Alma-Nachweis von einer spanischen Forschergruppe mit Einzelteleskopen in einer Molekülwolke unweit von Sgr B2 erbracht. Der Nachweis von Iso-Propanol in Richtung Sgr B2 war jedoch nur mit Alma möglich.

„Der Nachweis beider Isomere des Propanols ist von einzigartiger Aussagekraft, wenn es darum geht, den Entstehungsmechanismus der beiden Isomere zu bestimmen“, sagt Rob Garrod von der amerikanischen University of Virginia. „Weil sie sich so ähnlich sind, verhalten sie sich auch physikalisch sehr ähnlich, was bedeutet, dass die beiden Moleküle an denselben Orten und zu denselben Zeiten vorhanden sein sollten. Die einzige offene Frage ist die nach den genauen Mengen, die vorhanden sind.“

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Eine Schwierigkeit bei der Identifizierung von organischen Molekülen in den Spektren von Sternentstehungsgebieten ist die Konfusion im Spektrum. Jedes Molekül sendet Strahlung bei bestimmten Frequenzen aus, seinen spektralen „Fingerabdruck“, der aus Labormessungen bekannt ist. „Je größer das Molekül ist, desto mehr Spektrallinien bei verschiedenen Frequenzen wird es emittieren“, erklärt Holger Müller von der Universität Köln. „In einer Quelle wie Sgr B2 gibt es so viele Moleküle, die zur beobachteten Strahlung beitragen, dass sich ihre Spektren überschneiden und es schwierig ist, ihre Fingerabdrücke zu entwirren und sie einzeln zu identifizieren.“

Dank der hohen Winkelauflösung von Alma war es möglich, Teile von Sgr B2 zu isolieren, die sehr schmale Spektrallinien emittieren – fünfmal schmaler als die Linien, die mit dem 30-m-IRAM-Radioteleskop auf größeren Skalen nachgewiesen wurden. Die Schmalheit dieser Linien reduziert die Konfusion im Spektrum, und das war der Schlüssel zur Identifizierung der beiden Isomere von Propanol in Sgr B2. Auch die Empfindlichkeit von Alma spielte eine wichtige Rolle: Bei einer zweimal schlechteren Empfindlichkeit wäre es nicht möglich gewesen, Propanol in den gesammelten Daten zu identifizieren.

Suche nach großen Weltraummolekülen geht weiter

Diese Forschung ist ein langjähriges Projekt, um die chemische Zusammensetzung in unterschiedlichen Regionen von Sgr B2 zu untersuchen, in denen neue Sterne entstehen, und so die chemischen Prozesse zu verstehen, die bei der Sternentstehung ablaufen. Das Ziel ist es, die chemische Zusammensetzung der Sternentstehungsgebiete zu bestimmen und möglicherweise neue interstellare Moleküle zu identifizieren. „Propanol steht schon lange auf unserer Liste der aufzuspürenden Moleküle, aber erst die jüngste Vergleichsarbeit im Labor zur Charakterisierung des Spektrums der Rotationsübergänge hat es uns ermöglicht, die beiden Isomere von Propanol eindeutig zu identifizieren“, sagt Oliver Zingsheim, ebenfalls von der Universität Köln.

Der Nachweis eng verwandter Moleküle, die sich in ihrer Struktur leicht voneinander unterscheiden (wie normales und Iso-Propanol), und die Messung ihres Häufigkeitsverhältnisses ermöglicht es den Forschern, bestimmte Teile des chemischen Reaktionsnetzwerks zu untersuchen, das zur Produktion von Molekülen im interstellaren Medium führt. „Es gibt noch viele unidentifizierte Linien im Alma-Spektrum von Sgr B2 und somit noch eine Menge Arbeit, um die chemische Zusammensetzung dieser wichtigen Quelle zu entschlüsseln“, sagt Karl Menten, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung Millimeter- und Submillimeterastronomie. „In naher Zukunft wird uns die Erweiterung der Alma-Instrumentierung auf niedrigere Frequenzen wahrscheinlich dabei helfen, die Konfusion im Spektrum noch weiter zu reduzieren und möglicherweise weitere organische Moleküle in Sgr B2 zu identifizieren.“

Originalpublikationen:

Belloche, A. et al.: Interstellar detection and chemical modeling of iso-propanol and its normal isomer, 2022, Astronomy & Astrophysics, 28 June 2022; DOI: 10.1051/0004-6361/202243575

Zingsheim, O. et. al.: Rotational spectroscopy of n-propanol: Aa and Ag conformers, 2022, Astronomy & Astrophysics, 28 June 2022; DOI: 10.1051/0004-6361/202243571

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