Wie ein Molekül aus dem Rotieren kommt

Das im Weltraum häufige Molekülion CH+ wurde erstmals unter interstellaren Bedingungen im neuen ultrakalten Speicherring (Cryogenic Storage Ring, CSR) des Heidelberger MPI für Kernphysik untersucht. Im Ring lassen sich Umgebungstemperaturen unterhalb von 10 K realisieren. Gemessen wurde die Aufspaltung von CH+ in C+ und H durch ultraviolettes Licht bei einer Energie nahe der Reaktionsschwelle. Der experimentelle Befund wird durch theoretische Rechnungen sehr gut reproduziert und erlaubt, die zeitabhängige Besetzung der einzelnen Rotationszustände zu ermitteln. Damit wurde das Potential des CSR für kontrollierte Experimente mit kalten Molekülionen erfolgreich demonstriert.

Die organische Chemie interstellarer Molekülwolken ist eines der spannendsten Forschungsgebiete der Astronomie, da viele Beobachtungen noch Rätsel aufgeben und die Entstehung des Lebens auf der Erde möglicherweise eng mit der Bildung biologisch relevanter Moleküle im Weltraum verknüpft ist. Diese Prozesse spielen sich viele Lichtjahre entfernt ab und entziehen sich damit einer kontrollierten Untersuchung. Deshalb sind Astrophysiker auf deren theoretische Modellierung angewiesen. Das Bindeglied stellt die Laborastrophysik dar, welche es erlaubt, Reaktionen der vorgefundenen Spezies im Labor unter Weltraumbedingungen nachzustellen. Die so gewonnenen Resultate lassen sich mit den astronomischen Beobachtungen vergleichen und erlauben einen direkten Test der theoretischen Beschreibung.

Weltraum im Labor

Zur Untersuchung von kosmischen Molekülionen steht am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) seit kurzem der neue ultrakalte Speicherring CSR (Cryogenic Storage Ring) zur Verfügung. Diese weltweit größte Anlage ihrer Art mit einem Umfang von 35 m lässt sich auf eine Temperatur von ca. –265 °C, also wenige Grad über den absoluten Nullpunkt abkühlen und im Inneren ein extremes Ultrahochvakuum von weniger als 10–13 mbar realisieren, das ist um das Zehn-Billiardenfache geringer als der normale Luftdruck. Damit werden die Bedingungen interstellarer Wolken (niedrige Temperatur, sehr geringe Dichte) erreicht, und das sehr gute Vakuum ermöglicht es, die Ionen mit geringen Verlusten durch Stöße mit Restgasmolekülen über längere Zeit bis zu mehreren Stunden zu speichern.

Überlagerung des im CSR gespeicherten CH+-Molekülionenstrahls (gelb) mit einem UV-Laser (blau). Die neutralen H-Atome aus der Photodissoziation geradeaus mit einem Detektor nachgewiesen. Grafik: MPIK für Kernphysik

Zu den wichtigsten Prozessen in interstellaren Wolken zählen sowohl Kollisionen von Molekülen bzw. Molekülionen untereinander als auch mit freien Elektronen sowie die Wechselwirkung mit ultraviolettem (UV) Licht, das von benachbarten Sternen ausgestrahlt wird. Um diese im Detail zu studieren, ist der CSR mit einer entsprechenden Instrumentierung ausgerüstet. In einer ersten Publikation zu einem CSR-Experiment berichten Physiker der CSR-Kollaboration nun über das Zerbrechen des Molekülions CH+ durch UV-Licht.

Das erste kosmische Molekülion

CH+ war das erste kosmische Molekülion, das 1941 spektroskopisch identifiziert wurde. Es besteht aus einem Kohlenstoff- und einem Wasserstoffatom, wobei aber ein Elektron fehlt. Das recht häufige Vorkommen von CH+ im diffusen interstellaren Medium ist dabei bis heute rätselhaft: Eigentlich sollte es durch Kollisionen mit Wasserstoff rasch zerstört werden, und es ist unbekannt, wie es in einer so kalten Umgebung effizient neu gebildet wird. Ein Puzzleteil ist die Photodissoziation von CH+, wobei das Molekül nach Absorption eines UV-Lichtquants in ein einfach geladenes Kohlenstoffion (C+) und ein neutrales Wasserstoffatom (H) aufbricht. Hierzu wird auf einer geraden Strecke im Speicherring der Ionenstrahl in spitzem Winkel mit einem UV-Laserstrahl überlagert.

Relative Besetzung der drei untersten Rotationszustände von CH+ in Abhängigkeit von der Speicherzeit im CSR. Die gemessenen Daten lassen sich am besten mit einer Temperatur von etwa 20 K modellieren. Grafik: MPIK für Kernphysik

Zum Nachweis dienen die in der Reaktion freigesetzten H-Atome. In der nächsten Kurve des Rings, wo die Ionen elektrisch abgelenkt werden, fliegen sie geradeaus auf einen Detektor. „Wir haben die Zahl der H-Atome in Abhängigkeit von der Energie des UV-Lichts und der Speicherzeit gemessen“, erläutert Aodh O'Connor, Postdoc in der ASTROLAB-Gruppe um Holger Kreckel am MPIK. „Besonders interessant ist der Bereich der Dissoziationsschwelle, also der minimalen Energie, die zum Aufbruch der chemischen Bindung benötigt wird. Steckt im Molekül noch Rotationsenergie, so ist die Schwelle um diesen Betrag abgesenkt, und wir können verfolgen, wie das anfänglich heiße und heftig rotierende CH+ im Ring abkühlt.“ Nach etwa einer Minute Speicherzeit sind nur noch die beiden niedrigsten Rotationszustände besetzt und nach vier Minuten rotieren 60% der Moleküle gar nicht mehr. Dies entspricht einer Temperatur von etwa 20 Grad über dem absoluten Nullpunkt.
Unterstützt wurde die Auswertung durch theoretische Rechnungen zur Photodissoziation nahe der Schwelle, die von Ulrich Hechtfischer durchgeführt wurden. Die Wahrscheinlichkeit für den photochemischen Aufbruch ist hier bei bestimmten Energien durch Resonanzen deutlich erhöht und hängt empfindlich von der Struktur der Elektronenhülle des Moleküls ab. Die Rechnungen wurden für die einzelnen Rotationszustände durchgeführt und stimmen mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein. Dies erlaubt nicht nur, den Kühlvorgang des Moleküls zu verfolgen, sondern liefert auch ein besseres Verständnis der Struktur von CH+. Dies kann relevant sein für verbesserte Rechnungen zum umgekehrten Prozess der radiativen Assoziation von C+ und H zu CH+ und Aussendung eines UV-Quants – ein möglicher Mechanismus zur Bildung von CH+ bei interstelleren Temperaturen.

„Unser Experiment zeigt, dass sich mit dem CSR molekulare Reaktionen unter Weltraumbedingungen untersuchen lassen“, sagt Holger Kreckel mit Blick auf das Potential dieses neuen Großgeräts für zukünftige Studien. Hierzu zählt der Einfang von Elektronen in Mokekülionen, wozu momentan ein neues Elektronentarget in den Ring eingebaut wird. Ein weiteres Thema sind Stöße von geladenen Molekülionen und neutralen Atomen. Diese spielen eine große Rolle in der interstellaren Chemie, sind aber experimentell noch wenig untersucht.

Literatur
Photodissociation of an internally cold beam of CH+ ions in a cryogenic storage ring
A.P. O'Connor et al., Physical Review Letters 116, 113002, 17. März 2016; DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.113002

Quelle
Max-Planck-Institut für Kernphysik