JAMES WEBB
Kohlenwasserstoff-Molekül in jungem Sternsystem im Orionnebel nachgewiesen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität zu Köln 
astronews.com
28. Juni 2023

Dank der besonderen Fähigkeiten des Weltraumteleskops James Webb ist es erstmals gelungen, ein elementares Kohlenwasserstoff-Molekül in einem neu entstehenden Sonnen- und Planetensystem im Orionnebel nachzuweisen. Die Entdeckung dürfte für das Verständnis der komplexen Chemie im Weltraum von großer Bedeutung sein.

Blick von James Webb in den Orionnebel, wo in einem jungen Sternsystem mithilfe von Spektroskopie ein elementares Kohlenwasserstoff-Molekül nachgewiesen werden konnte. Bild: ESA / Webb, NASA, CSA, M. Zamani (ESA / Webb), das PDRs4All ERS Team [Großansicht]

Dem James-Webb-Weltraumteleskop ist es gelungen, das Kohlenwasserstoffmolekül CH₃⁺ in einem 1500 Lichtjahre entfernten, neu entstehenden Sonnen- und Planetensystem nachzuweisen. CH₃⁺ ist ein elementares Kohlenwasserstoffmolekül, das zwar nicht mit dem überall vorkommenden Wasserstoff, dafür aber mit anderen Molekülen reagiert und somit zur Bildung sehr viel komplexerer Moleküle im Weltall beitragen kann. Seit den 1970er Jahren wird CH₃⁺ im Weltraum vorhergesagt. Nun konnte es anhand seines spektralen "Fingerabdrucks" im Infrarotbereich auch empirisch nachgewiesen werden. Die Beobachtungen zeigen, dass CH₃⁺ aufgrund der starken UV-Strahlung benachbarter Sonnen im Orionnebel unserer Galaxie entsteht.

Die Entdeckung dürfte weitreichende Folgen für das Verständnis der Chemie und Entstehung der Moleküle im All haben. Insbesondere liefert der Fund neue Informationen über Details der Entstehung unseres eigenen Sonnensystems. Die moderne Astronomie weiß inzwischen, dass Moleküle, wie z. B. Kohlendioxid und Wasser, in großer Zahl im Weltraum entstehen. Jedes dieser Moleküle hat ein individuelles Spektrum, ähnlich einzigartig wie ein menschlicher Fingerabdruck. Ist der spektroskopische "Fingerabdruck" eines Moleküls erst einmal im Labor genommen, kann das Molekül auch im Weltraum entdeckt werden – in Regionen wie unserer Milchstraße bis hin zu weit entfernten Galaxien.

Diese charakteristischen Fingerabdrücke liegen meistens im Bereich der Radio- bzw. Wärmestrahlung (Infrarotbereich), und können mit entsprechenden Teleskopen beobachtet werden. Unter den Molekülen spielen Kohlenwasserstoffe (Moleküle bestehend aus Kohlenstoff - C - und Wasserstoff - H) eine besondere Rolle, weil sie unter anderem als Vorläufer von Biomolekülen fungieren können. Biomoleküle sind organische Substanzen, die die Grundlage von Lebewesen formen. CH₃⁺ ist ein elementares Kohlenwasserstoffmolekül und ein Baustein komplexerer Moleküle.

Bisher konnte CH₃⁺ im All nicht nachgewiesen werden, weil es aufgrund seines symmetrischen dreieckigen Aufbaus keine Radiostrahlung, sondern nur Infrarotstrahlung aussendet. Ein geeignetes Infrarotteleskop fehlte bisher jedoch. Das änderte sich mit dem Start des James Webb Space Telescope (JWST), das im Infrarotbereich misst, sowie seiner Inbetriebnahme im Sommer 2022. Das JWST gilt als wissenschaftlicher Nachfolger des ebenso bahnbrechenden Hubble-Weltraumteleskops. Die Beobachtungsschärfe und die hohe Empfindlichkeit des neuen Teleskops, insbesondere bei langen Wellenlängen, eröffnen neue, einmalige Beobachtungsmöglichkeiten.

Verschiedene Gruppen am Kölner Institut für Astrophysik haben zum aktuellen Forschungsergebnis beigetragen, auch durch den Bau einiger JWST-Spektrometer-komponenten. Ein anderes Team, die Kölner Submillimeter-Astrophysik Gruppe, untersucht seit langem die Physik und Chemie des Orionnebels. Die Beobachtungen mit dem JWST wurden von Privatdozent Dr. Markus Röllig und Dr. Yoko Okada mitentworfen und -ausgewertet. Experimente der Laborastrophysikgruppe machten es möglich, CH₃⁺ zu identifizieren. Die Gruppe beschäftigt sich mit Molekülspektroskopie, bei der sie die spektralen Fingerabdrücke der Moleküle im Labor im Radio- und Infrarotbereich misst, ohne die eine Identifizierung im Weltall nicht möglich wäre.

Das CH₃⁺-Molekül wurde schon 2018 unter der Leitung von Professor Dr. Stephan Schlemmer und Privatdozent Dr. Oskar Asvany in einer sogenannten kalten Ionenfalle untersucht. Dazu wurden im Experiment einige Tausend CH₃⁺-Ionen festgehalten und mit einem Infrarotlaser bestrahlt. So konnte die genaue spektrale Position der infraroten Fingerabdrücke dieses Moleküls bestimmt werden, die das JWST nun beobachtet hat. "„Es ist schön zu sehen, dass die vor fünf Jahren gewonnenen Daten zu CH₃⁺, die bisher eher ein Nischendasein führten, durch die JWST-Daten so bedeutend geworden sind", unterstreicht Asvany. Und Schlemmer fügt hinzu: "Das ermutigt uns und andere Gruppen weltweit, dieses besondere Molekül in Zukunft noch genauer zu untersuchen."

Über die Beobachtungen berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature erschienen ist.