Es braucht einen reichen und vielfältigen Satz komplexer Moleküle, damit Dinge wie Sterne, Galaxien, Planeten und Lebensformen wie wir existieren. Aber bevor Menschen und all die komplexen Moleküle, aus denen wir bestehen, existieren konnten, musste es dieses erste Urmolekül geben, das eine lange Kette chemischer Ereignisse in Gang setzte, die zu allem führten, was Sie heute um Sie herum sehen.
Obwohl seit langem theoretisiert wird, war das Fehlen von Beobachtungsbeweisen für dieses Molekül für Wissenschaftler problematisch. Jetzt haben sie es gefunden und diese Wissenschaftler können beruhigt sein. Ihre Vorhersagetheorie gewinnt!
In den frühen Tagen des Universums gab es nur zwei oder drei Arten von Atomen. Wasserstoff, Helium und winzige Mengen Lithium wurden durch Urknall-Nukleosynthese . Alle anderen Elemente wurden später in Sternen geschmiedet. Sterne bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff, aber Sterne konnten sich nicht aus den einfachen Wasserstoffatomen bilden, die beim Urknall entstanden sind. Sie bilden sich aus dem sogenannten molekularen Wasserstoff. Und molekularer Wasserstoff könnte sich ohne das sogenannte „erste Molekül“, eine Kombination aus Helium und Wasserstoff namens Heliumhydrid, nicht bilden. Die Theorie besagt, dass Heliumhydrid etwa 100.000 Jahre nach dem Urknall entstanden ist.
„Es war so aufregend, dabei zu sein und zum ersten Mal Heliumhydrid in den Daten zu sehen.“
Rolf Guesten, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Erstautor.
Sie können sich eine Momentaufnahme des frühen Universums vorstellen, etwa 100.000 Jahre nach dem Urknall. Es war sehr heiß und wurde nur von Wasserstoff, Helium und diesem winzigen Stück Lithium bevölkert. Bevor sich die atomare Population des Universums diversifizieren konnte, mussten sich Sterne bilden. Als es anfing abzukühlen, wurden die Bedingungen reif für die Bildung von Sternen.
Aber es musste auch noch etwas anderes passieren. Die Abkühlung des Universums reichte nicht aus, um Sterne zu bilden. Molekularer Wasserstoff musste erzeugt werden, da Sterne hauptsächlich aus molekularem Wasserstoff bestehen und nicht aus dem einfachen atomaren Wasserstoff, der beim Urknall erzeugt wurde. (Wissenschaftler nennen es nicht einfach Wasserstoff, sie nennen es nur ein Wasserstoffatom.)
Der größte Teil des Wasserstoffs im Universum ist molekularer Wasserstoff.
Aber ein einzelnes Wasserstoffatom ist im heutigen Universum selten, weil es ein freie Radikale und ist wirklich reaktiv. Molekularer Wasserstoff ist ein Molekül, in dem zwei Wasserstoffatome miteinander verbunden sind. Es besteht aus zwei Protonen und zwei Elektronen und ist sehr stabil. Da draußen im Weltraum gibt es massive Wolken aus molekularem Wasserstoff und Sterne aus diesen Wolken.
Guck mal! Es ist Heliumhydrid, das sogenannte erste Molekül. Bildnachweis: Von CCoil (Talk) – Eigene Arbeit, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15038697
Das Problem im frühen Universum war, dass sich molekularer Wasserstoff nicht selbst bilden konnte, obwohl sich die Dinge abkühlten. Der Theorie zufolge musste einfacher Wasserstoff mit einem bestimmten Molekül wechselwirken, bevor er sich bilden konnte, und dieses Molekül war Heliumhydrid . Diese Wechselwirkung war der erste Schritt in der Chemie des Universums.
„Der Mangel an Beweisen für die Existenz von Heliumhydrid im interstellaren Raum war jahrzehntelang ein Dilemma für die Astronomie.“
Rolf Guesten, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Erstautor
Obwohl die Theorie besagte, dass Heliumhydrid existieren musste, und obwohl es 1925 in einem Labor hergestellt worden war, war es noch nie im Weltraum gesehen worden. Es ist ein sehr saures Molekül, weil eines seiner konstituierenden Atome Helium, ein Edelgas, ist. Und Edelgase reagieren sehr ungern mit anderen Atomen.
Aber jetzt haben sie es gefunden.
In einem Papier erschienen am 17. April in der Zeitschrift Natur , skizzierten Forscher, wie sie das schwer fassbare Heliumhydrid in der
planetarischer Nebel namens NGC 7027. Sie verwendeten SOFIA der NASA, oder
Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie, um danach zu suchen. SOFIA ist eine umgebaute Boeing 747SP, die in großen Höhen über atmosphärischer Interferenz fliegt, um Beobachtungen zu machen.
Seit den 1970er Jahren dachten Wissenschaftler, dass NGC 7027 die notwendigen Bedingungen für die Existenz von Heliumhydrid hat. Verwenden von SOFIA , und dem deutschen GREAT-Instrument (German Receiver at Terahertz Frequencies) untersuchten sie NGC 7027 auf der Suche nach dem schwer fassbaren Molekül.
NGC 7027, der junge, dichte planetarische Nebel, in dem Wissenschaftler das schwer fassbare Heliumhydrid, das „erste Molekül“, entdeckten. NGC 7027 ist etwa 3.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Cygnus. Bildnachweis: Von William B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) und NASA – http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/1998/11/image/d/, Public Domain, https://commons. wikimedia.org/w/index.php?curid=1583869
Hauptautor des Artikels ist Rolf Guesten vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. „Der Mangel an Beweisen für die Existenz von Heliumhydrid im interstellaren Raum war jahrzehntelang ein Dilemma für die Astronomie“, sagte Guesten.
Der planetarische Nebel, in dem Forscher ihn entdeckten, bietet die richtigen Bedingungen für die Bildung von Heliumhydrid. Der alternde Stern erzeugte die richtige Hitze und ultraviolette Strahlung für die Bildung des Moleküls. Aber der Blick in diesen Nebel erwies sich als sehr schwierig. Geben Sie SOFIA und GREAT ein.
SOFIA ist eine Partnerschaft zwischen der NASA und dem DLR, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt. In diesem Bild ist das Teleskop mit einem Durchmesser von 100 Zoll zu sehen. Bildquelle: NASA
SOFIA ist eine Art Hybrid zwischen einem bodengestützten Teleskop und einem Weltraumteleskop. Von seinem Aussichtspunkt auf 45.000 Fuß ist es frei von den meisten atmosphärischen Störungen der Erde, ähnlich wie ein Weltraumteleskop. Aber es ist flexibler. Es landet zwischen den Missionen und seine Instrumentierung kann mehr wie ein bodengestütztes Teleskop geändert oder angepasst werden.
In diesem Fall wurde das deutsche GREAT-Instrument 2011 in SOFIA integriert. Und es hat sich in dieser Forschung als entscheidend erwiesen.
„Wir sind in der Lage, Instrumente zu wechseln und die neueste Technologie zu installieren“, sagte Naseem Rangwala, stellvertretender Projektwissenschaftler von SOFIA. „Diese Flexibilität ermöglicht es uns, die Beobachtungen zu verbessern und auf die dringendsten Fragen zu antworten, die Wissenschaftler beantwortet haben möchten.“
Im Jahr 2016 begannen Wissenschaftler mit SOFIA und GREAT, um zu untersuchen NGC 7027 für das schwer fassbare Heliumhydrid. Jedes Molekül interagiert mit Licht auf seiner eigenen Frequenz, und GREAT wurde auf die Frequenz von Heliumhydrid abgestimmt, ähnlich wie beim Einstellen eines Radios auf einen bestimmten Sender. Und endlich hatten sie Glück.
„Es war so aufregend, dabei zu sein und zum ersten Mal Heliumhydrid in den Daten zu sehen. Dies führt zu einem glücklichen Ende einer langen Suche und beseitigt Zweifel an unserem Verständnis der zugrunde liegenden Chemie des frühen Universums.
Rolf Guesten, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Erstautor
„Es war so aufregend, dabei zu sein und zum ersten Mal Heliumhydrid in den Daten zu sehen“, sagte Guesten. „Dies führt zu einem glücklichen Ende einer langen Suche und beseitigt Zweifel an unserem Verständnis der zugrunde liegenden Chemie des frühen Universums.“
Dies ist also das Happy End einer der am längsten gestellten Fragen der Astronomie. Der erfolgreiche Abschluss der Suche nach Heliumhydrid ist ein schöner Sieg für unsere Theorien zur Entwicklung des Universums.
Wenn Sie mit einer Wissenschaftlerin befreundet sind, kaufen Sie ihr ein Bier und zeigen Sie ihre Anerkennung für ihre harte Arbeit!
Quellen
- Forschungsbericht: Astrophysikalischer Nachweis des Heliumhydrid-Ions HeH
- Pressemitteilung: Der erste Molekültyp des Universums ist endlich gefunden
- NASA: SOFIA-Website
- Wikipedia: Heliumhydrid-Ion
