Wissenschaftler des Hubble-Weltraumteleskops haben ein sehr komplexes Molekül im Weltraum gefunden. Namens Buckyballs , nach renommierten Denker Buckminster Fuller , sie sind eine molekulare Anordnung von 60 Kohlenstoffatomen (C60) in der groben Form eines Fußballs. Obwohl es nicht das erste Mal ist, dass diese exotischen Moleküle im Weltraum gesichtet werden, ist es das erste Mal, dass Buckyball Ionen wurden gefunden.
Die Buckyballs (auch bekannt als Buckminsterfullerene) wurden im Interstellaren Medium (ISM) gefunden, der diffusen Materie und Strahlung, die zwischen Sonnensystemen existiert. Da ISM die Art von fundamentaler Materie ist, aus der schließlich Sterne und Planeten entstehen, sind Astronomen wirklich daran interessiert. Das Verständnis des Inhalts des ISM wirft Licht auf den Aufstieg von Sternen, Planeten und schließlich das Leben selbst.
„Unsere Bestätigung von C60+zeigt, wie komplex die Astrochemie selbst in den am stärksten ultravioletten bestrahlten Umgebungen der Galaxis mit der niedrigsten Dichte werden kann.“
Martin Cordiner, Hauptautor, Goddard Space Flight Center
Das Team hinter dieser Entdeckung veröffentlichte seine Ergebnisse im Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe am 22. April 2019. Die Zeitung heißt „ Bestätigung des interstellaren C60+ mit dem Hubble-Weltraumteleskop .“ Der Hauptautor ist Martin Cordiner von der Katholischen Universität von Amerika, die im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, stationiert ist.
Eine Illustration von C60, auch bekannt als Buckminsterfullerene. Bildnachweis: Von Benjah-bmm27 – Eigenes Werk, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1913689
Auf der Erde haben Wissenschaftler C60+ gefunden, aber es ist selten. Sie haben es in Gesteinen und Mineralien gefunden, aber auch in Ruß, der bei der Hochtemperaturverbrennung entsteht. Das Auffinden der ionisierten (elektrisch geladenen) Form von C60+ im ISM ist überraschend, da es sich um eine so raue Umgebung handelt.
Das C60+ im Weltraum wird von Sternen ionisiert. Das ultraviolette Licht von Sternen entzieht dem C60 ein Elektron, das das Molekül mit einer positiven Ladung verlässt. Das Auffinden dieser komplexen Kohlenstoffmoleküle im Weltraum ist ein Schritt zu einem vollständigeren Katalog der Materie im interstellaren Medium.
Leben: Die ultimative chemische Komplexität
„Das diffuse ISM galt in der Vergangenheit als zu raue und schwache Umgebung, als dass nennenswerte Mengen großer Moleküle auftreten könnten“, sagte Hauptautor Cordiner in a Pressemitteilung . „Vor dem Nachweis von C60, die größten bekannten Moleküle im Weltraum waren nur 12 Atome groß. Unsere Bestätigung von C60+zeigt, wie komplex die Astrochemie selbst in den am stärksten ultravioletten bestrahlten Umgebungen der Galaxis mit der niedrigsten Dichte werden kann.“
„In gewisser Weise kann man sich das Leben als die ultimative chemische Komplexität vorstellen.“
Martin Cordiner, Hauptautor, Goddard Space Flight Center
Kohlenstoff ist unseres Wissens der Schlüssel zum Leben. Es ist reichlich vorhanden und kann einzigartige und vielfältige Verbindungen bilden. Kohlenstoff kann bei üblichen Erdtemperaturen große Moleküle bilden, die Polymere genannt werden. Polymere sind eine Familie von Molekülen mit einem breiten Spektrum an Eigenschaften, die in lebenden Geweben wie Proteinen und DNA eine Schlüsselrolle spielen. Ein Leben ohne Kohlenstoff ist kaum vorstellbar.
Alles Leben, wie wir es kennen, basiert auf Kohlenstoff. Kohlenstoff ist der Schlüssel zur organischen Chemie, weil er eine so vielfältige und einzigartige Familie von Verbindungen bilden kann. Es ist dazu in der Lage, weil seine äußere Hülle vier Elektronen enthält.
Da das Leben auf kohlenstoffhaltigen Molekülen basiert, ist es eine faszinierende Entdeckung, komplexe Kohlenstoffmoleküle wie C60+ im Weltraum zu finden. „In gewisser Weise kann man sich das Leben als die ultimative chemische Komplexität vorstellen“, sagte Cordiner. „Die Anwesenheit von C60demonstriert eindeutig ein hohes Maß an chemischer Komplexität, die der Weltraumumgebung innewohnt, und weist auf eine hohe Wahrscheinlichkeit hin, dass andere extrem komplexe, kohlenstoffhaltige Moleküle spontan im Weltraum entstehen.“
Der Schlüssel zum Auffinden von C60+ im ISM ist das sogenannte Diffuse interstellare Bänder (IDBs.)
Die Primärmaterialien im ISM sind die üblichen Verdächtigen: Wasserstoff und Helium. Aber es gibt viele andere nicht identifizierte komplexe Moleküle im ISM, und die einzige Möglichkeit, sie zu finden, besteht darin, das Sternenlicht zu untersuchen, das sie durchdringt.
Das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA entdeckte erstmals 2010 die feste Form von Buckyballs im Weltraum, aber sie waren nicht geladen (Ionen). Um ein festes Teilchen zu bilden, müssen sich die Buckyballs wie Orangen in einer Kiste stapeln, wie in dieser Abbildung gezeigt. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Verschiedene Elemente und Verbindungen im ISM können bestimmte Wellenlängen des Sternenlichts blockieren oder absorbieren. Mittels Spektrometrie können Wissenschaftler Licht in seine verschiedenen Wellenlängen aufteilen und untersuchen. Auf diese Weise können sie genau erkennen, welche Wellenlängen fehlen und auf die verantwortlichen Chemikalien schließen.
Im ISM kann das schwierig sein. Da draußen decken die durch Spektrometrie aufgedeckten Absorptionsmuster einen viel breiteren Lichtbereich ab, von denen sich einige von denen auf der Erde völlig unterscheiden. Diese Muster werden Diffuse Interstellar Bands genannt und wurden erstmals 1922 von der amerikanischen Astronomin Mary Lea Heger entdeckt.
Das Problem ist, um die Natur eines DIB im Weltraum zu identifizieren, muss es mit einem in einem Labor gesehenen abgeglichen werden. Aber es gibt Millionen unterschiedlicher molekularer Strukturen und der dazugehörigen DIBs, so dass es Lebenszeiten dauern würde, sie alle zu identifizieren.
„Heute sind mehr als 400 DIBs bekannt, aber (abgesehen von den wenigen neu C . zugeschriebenen60+) wurde keine schlüssig identifiziert“, sagte Cordiner. „Zusammengenommen weist das Erscheinen der DIBs auf die Anwesenheit einer großen Menge kohlenstoffreicher Moleküle im Weltraum hin, von denen einige möglicherweise an der Chemie beteiligt sind, die Leben entstehen lässt. Zusammensetzung und Eigenschaften dieses Materials bleiben jedoch unbekannt, bis die verbleibenden DIBs zugewiesen sind.“
Wissenschaftler haben Jahrzehnte damit verbracht, genaue Laborübereinstimmungen für DIBs zu finden.
Der Ehrwürdige Hubble entdeckt Buckyballs
Hier kommt das ehrwürdige Hubble-Weltraumteleskop ins Spiel.
Das Team hinter dieser neuen Forschung verglich C60+-Absorptionsmuster im Labor mit DIBs, die der Hubble im interstellaren Medium beobachtete. Die Laborarbeit des DIB wurde von einem anderen erledigt Team der Universität Basel , in der Schweiz. Der Hubble konnte die C60+-Absorptionsdaten von seinem Sitz im Orbit aus beobachten, wo der Wasserdampf in der Erdatmosphäre sie nicht blockieren kann. Trotzdem musste das Team das Weltraumteleskop über seine Empfindlichkeitsgrenzen hinaus bringen.
Ein künstlerisches Konzept von Graphen, Buckyballs und C70, das einem Bild des planetarischen Nebels Helix überlagert ist, einer aufgeblähten Materialwolke, die von einem sterbenden Stern ausgestoßen wird. Astronomen glauben, dass diese exotischen Formen von Kohlenstoffmolekülen im Weltraum weit verbreitet sind, aber ihre Identifizierung kann schwierig sein. Bildnachweis: IAC/NASA/NOAO/ESA/STScI/NRAO
Die Entdeckung von Buckyball-Ionen im Weltraum hat das Team nach mehr gefeuert. Die Überlegung geht, wenn diese komplexen Kohlenstoffmoleküle da draußen im ISM vorhanden sind, gibt es dann noch andere? Um dies herauszufinden, sind weitere Laborarbeiten mit anderen komplexen Kohlenstoffmolekülen erforderlich, um ihre DIBs zu identifizieren, damit sie mit zukünftigen Beobachtungen des ISM abgeglichen werden können.
Vorerst möchte das Team hinter dieser Studie weiter nach Buckyballs im Weltraum suchen, um zu sehen, wie häufig sie sind. Hauptautor Cordiner ist der Meinung, dass C60+ nach seinen bisherigen Erkenntnissen in der Galaxie weit verbreitet ist.
Was dies für das Auftreten und die Entwicklung des Lebens auf der Erde und anderswo bedeutet, ist in der Luft, aber es ist eine faszinierende Fragestellung.
Quellen:
- Pressemitteilung: Hubble findet winzige „elektrische Fußbälle“ im Weltraum und hilft bei der Lösung des interstellaren Mysteriums
- Forschungsbericht: Bestätigung des interstellaren C60+ mit dem Hubble-Weltraumteleskop
- Wikipedia-Eintrag: Interstellares Medium
- Wikipedia-Eintrag: Kohlenstoff