Erforschung der durch kosmischen Staub katalysierten Synthese komplexer organischer Moleküle im interstellaren Medium

• Antragsteller: Dr. Nils Fabian Kleimeier
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432686099

Durch die stetige Weiterentwicklung leistungsfähiger Radioteleskope wurden inzwischen mehr als 200 verschiedene Moleküle im Interstellaren Medium nachgewiesen. Aufgrund der extremen Bedingungen mit geringer Dichte und niedriger Temperatur kann die Vielzahl und Komplexität der beobachteten Moleküle nicht alleine durch Reaktionen in der Gasphase erklärt werden. Nach dem heutigen Stand der Forschung spielen Staubpartikel in Molekularwolken eine entscheidende Rolle in der Entstehung der beobachteten Moleküle. Aufgrund der geringen Temperatur in Molekularwolken von bis zu 5 K lagert sich auf der Oberfläche der Staubpartikel eine Schicht aus gefrorenen Gasen an. Zu diesen Gasen gehören Wasser, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Methanol, Methan, Formaldehyd und Ammoniak. Durch die erhöhte Dichte in diesem Eis werden Reaktionen zwischen den Molekülen wahrscheinlicher und die bei Reaktionen freiwerdende Energie kann durch die Nachbarmoleküle dissipiert werden. In zahlreichen Laborversuchen konnte in den letzten Jahrzehnten nachgewiesen werden, dass die Bestrahlung von Eis aus einem oder mehreren dieser Bestandteile mit ionisierender Strahlung zur Bildung komplexer, teilweise biologisch relevanter Moleküle führt. Allerdings wurde in nahezu allen bisherigen Experimenten die Rolle des Staubkorns im Zentrum der Eisschicht vernachlässigt. Stattdessen werden entweder polierte Metalle oder Kristalle mit hoher Transmission im infraroten Spektralbereich als Substrate verwendet, um spektroskopische Untersuchungen zu vereinfachen. Kürzlich veröffentlichte Studien weisen jedoch darauf hin, dass die Oberfläche trotz der relativ dicken Eisschichten eine fundamentale Rolle spielen kann, da sie die Entstehung bestimmter Moleküle begünstigen, aber auch teilweise oder vollständig unterdrücken kann. Das wesentliche Ziel dieses Projektes ist daher die systematische Untersuchung des Einflusses von komischem Staub auf die Entstehung bestimmter Molekülgruppen in kosmischem Eis. Hierzu werden in einer Vakuumkammer Gasmischungen auf der Oberfläche eines auf eine Temperatur von 5 K gekühlten Silberspiegels kondensiert. Die Gasmischungen werden hierbei der Zusammensetzung kosmischen Eises in verschiedenen Regionen des Interstellaren Mediums nachempfunden. Zusätzlich wird dem Gas eine geringe Menge von Mikropartikeln zugesetzt, deren Zusammensetzung und Struktur den Staubkörnern im Interstellaren Medium ähnelt, um diese im Eis einzuschließen. Anschließend wird das Eis mit Licht bestrahlt, dessen spektrale Zusammensetzung die des internen Strahlungsfeldes in Molekülwolken simuliert. Unter Verwendung verschiedener Detektionsmechanismen werden die hierbei entstehenden Moleküle isomerselektiv nachgewiesen. Durch quantitativen Vergleich mit Ergebnissen von Experimenten die unter gleichen Bedingungen, jedoch ohne Beimischung von Staubpartikeln durchgeführt wurden, lässt sich schließlich der Einfluss kosmischen Staubs auf die Synthese verschiedener Moleküle erforschen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Ralf-Ingo Kaiser