Die Entdeckung einer seltenen Form von Methanol um einen jungen Stern liefert neue Einblicke in das Entstehen organischer Moleküle im interstellaren Raum.
Methanol (CH₃OH) – der einfachste organische Alkohol – spielt eine zentrale Rolle bei der Entstehung komplexer organischer Verbindungen im interstellaren Raum. Im Rahmen einer von Arnaud Belloche vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie geleiteten Studie ließ sich zum ersten Mal vollständig deuteriertes Methanol (CD₃OD) im Weltall nachweisen, bei dem alle Wasserstoffatome durch schweren Wasserstoff (Deuterium) ersetzt sind. Damit lassen sich zentrale Vorhersagen chemischer Modelle testen. Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe von Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
Ein Schlüsselmolekül
Bereits in sehr jungen Sternsystemen gibt es komplexe Moleküle wie Isopropanol. Experimente legen nahe, dass sie sich auf der Oberfläche von vereisten Staubkörnern bilden, noch bevor der Stern überhaupt leuchtet. Methanol nimmt dabei eine Schlüsselrolle ein: Es kann auf den Körnern langsam mit Atomen wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff zu immer größeren Verbindungen reagieren. Sobald der Stern zu leuchten beginnt und seine Umgebung erwärmt, werden die komplexen organischen Moleküle als Gas freigesetzt. Ab diesem Zeitpunkt lassen sich ihre Signaturen mit Teleskopen wie dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), einem Verbund aus Radioteleskopen in der chilenischen Atacamawüste, beobachten.
Um zu verstehen, welche Reaktionen und Prozesse für die Bildung komplexer Moleküle wichtig sind, benötigt man ein möglichst vollständiges Inventar der chemischen Verbindungen um sehr junge Sterne. Deuterierte Moleküle sind besonders interessant, weil sie nur unter extrem kalten Bedingungen entstehen, die typisch für die frühen Phasen der Sternentstehung sind. Im Zentrum steht Methanol: von der häufigen Grundform mit normalem Wasserstoff, über die selteneren ein- bis mehrfach deuterierten Formen, bis hin zur vollständig deuterierten Form. Hier klaffte bisher eine Beobachtungslücke.
Eine doppelte Premiere
Die Forschenden beobachteten im Rahmen des ALMA-Programms COMPASS (Complex Organic Molecules in Protostars with ALMA Spectral Surveys) elf junge Sternsysteme. Unter ihnen ist der Protostern IRAS4A2, der sich rund 1000 Lichtjahre entfernt in der Perseus-Molekülwolke befindet. Hier konnte das Team nun erstmals die eindeutige Signatur von vollständig deuteriertem Methanol (CD₃OD) nachweisen. Es handelt sich zudem um die erste Beobachtung eines vierfach deuterierten interstellaren Moleküls überhaupt.
Silvia Spezzano, Forschungsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) und Co-Autorin der aktuellen Studie, erklärt: „Die Deuterierung ermöglicht es uns, die chemische Entwicklung von Molekülen während der Entstehung von Sternen und Planeten nachzuverfolgen. So können wir ihre Chemie verstehen und letztlich auch, wie molekulare Komplexität von interstellaren Wolken auf Planetensysteme übertragen wird.“
Eine Herausforderung für chemische Modelle
Das Team konnte nicht nur die Existenz von CD₃OD um IRAS4A2 belegen, sondern sogar die Häufigkeiten der verschiedenen Methanol-Varianten bestimmen. Dabei zeigt sich, dass die vollständig deuterierte Form etwa hundertmal häufiger vorkommt als theoretisch vorhergesagt. Keines der verfügbaren chemischen Modelle ist momentan in der Lage, diesen großen Anteil an CD₃OD zu erklären. „Ein entscheidender Prozess, der die Bildung von mehrfach deuteriertem Methanol vorantreibt, scheint folglich in allen von ihnen zu fehlen“, erläutert Arnaud Belloche.
In den Daten von IRAS4A2 steckt sogar noch mehr: Es gibt unidentifizierte Spektrallinien. Angesichts der Detektion von CD₃OD erwarten die Astronomen, dass einige dieser Linien von den mehrfach deuterierten Formen von Methanol, CH₂DOD und CHD₂OD, stammen könnten. An den entsprechenden Labordaten, die für einen sicheren Nachweis noch fehlen, wird bereits gearbeitet. „Am Zentrum für Astrochemische Studien am MPE führen wir ein systematisches Laborprogramm durch, um die Spektren von deuterierten komplexen organischen Molekülen, darunter CH₂DOD und CHD₂OD, zu untersuchen“, berichtet Silvia Spezzano. Arnaud Belloche ergänzt: „Hier zeigt sich, wie wichtig das Zusammenspiel zwischen Beobachtung, Experiment und Modellierung ist.“ Zeitgleich mit der aktuellen Studie werden noch sechs weitere veröffentlicht, die im Rahmen von COMPASS entstanden sind. Gemeinsam werfen sie ein Schlaglicht auf die Vielfalt komplexer organischer Moleküle im Weltraum.
Bild: © Ekaterina Moerova / MPIfR; Hintergrund: NASA, CXC, SSC, NOAO, DSS; 3D-Bild von Methanol: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Methanol#section=3D-Conformer