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Anionen im All Wie Weltraummoleküle auf Elektronenjagd gehen

Redakteur: Christian Lüttmann

Obwohl im All viel „Nichts“ ist, gibt es doch Orte, an denen sich Materie sammelt. In solchen interstellaren Wolken sind auch negativ geladene Ionen zu finden. Wie diese aus neutralen Molekülen entstehen könnten, hat ein Forscherteam der Universität Innsbruck im Labor nachgestellt.

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Die Physiker Roland Wester (l.) und Malcolm Simpson demonstrieren, wie Dipol-gebundene Zustände die Entstehung negativer Ionen in interstellaren Wolken ermöglichen.
Die Physiker Roland Wester (l.) und Malcolm Simpson demonstrieren, wie Dipol-gebundene Zustände die Entstehung negativer Ionen in interstellaren Wolken ermöglichen.
(Bild: Bryan Goff on Unsplash / AG Wester)

Innsbruck/Österreich – In den meisten Bereichen des Weltalls gibt es nicht viel. Doch dort, wo sich Materie gesammelt hat, gibt es immer etwas zu entdecken. In interstellaren Wolken zum Beispiel. Sie sind die Geburtsstätten von Sternen und könnten zudem eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Leben spielen. Denn zwischen den Sternen einer Galaxie gibt es Regionen aus Staub und Gas, in denen sich chemische Verbindungen bilden. Die Forschungsgruppe um Prof. Roland Wester am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Entwicklung elementarer Moleküle im All besser zu verstehen. „Mit unserer Ionenfalle können wir, vereinfacht gesagt, das All ins Labor holen“, sagt Wester. „In der Apparatur lässt sich die Bildung von chemischen Verbindungen im Detail studieren.“ Nun haben die Wissenschaftler eine Erklärung dafür gefunden, wie sich negativ geladene Moleküle im Weltraum bilden.

Das Dipolmoment als Magnet für Elektronen

In der Wissenschaft gingen die meisten lange Zeit davon aus, dass interstellare Wolken nur positiv geladene Ionen enthalten. Doch im Jahr 2006 entdeckten Forscher erstmals negativ geladene Kohlenstoffverbindungen im Weltraum. Seither suchen Astronomen nach einer Erklärung, wie sich solche negativ geladenen Ionen dort bilden können.

Der italienische Theoretiker Franco A. Gianturco, der als Wissenschaftler an der Universität Innsbruck tätig ist, hatte vor einigen Jahren den Ansatz für eine mögliche Erklärung aufgestellt: Sehr schwache Verbindungen, so genannte Dipol-gebundene Zustände sollen es freien Elektronen ermöglichen, sich an stabförmige Moleküle zu binden. Solche Moleküle haben ein permanentes Dipolmoment, das selbst relativ weit vom neutralen Kern entfernt eine starke Wechselwirkung aufweist und die Bewegung eines Elektrons massiv verändert.

Türöffner für negative Ionen im All

In ihrem Experiment haben die Innsbrucker Physiker Moleküle aus drei Kohlenstoffatomen und einem Stickstoffatom erzeugt, diese ionisiert und in einer Ionenfalle bei extrem tiefen Temperaturen mit Laserlicht beschossen. Dabei änderten sie die Frequenz des Lichtes kontinuierlich solange, bis die zugeführte Energie groß genug war, um ein Elektron aus dem Molekül zu lösen. Diesen so genannten Photoeffekt hatte Albert Einstein schon vor 100 Jahren beschrieben.

Ein Vergleich der Messdaten mit einem Computermodell erbrachte schließlich den eindeutigen Nachweis für die Existenz von Dipol-gebundenen Zuständen. „Unsere These ist, dass diese Dipol-gebundenen Zustände eine Art Türöffner für die Bindung freier Elektronen an Moleküle darstellen und so zur Entstehung negativer Ionen im Weltraum beitragen“, sagt Forschungsleiter Wester. „Ohne diesen Zwischenschritt wäre es sehr unwahrscheinlich, dass Elektronen tatsächlich an die Moleküle binden.“ Mit diesem Labornachweis sind die Forscher der Erklärung für komplexere Moleküle im Weltall einen Schritt nähergekommen.

Originalpublikation: Malcolm Simpson, Markus Nötzold, Tim Michaelsen, Robert Wild, Franco A. Gianturco, and Roland Wester: Influence of a supercritical electric dipole moment on the photodetachment of C3N- Phys. Rev. Lett. 127, 043001 DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.043001

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