Seltsames verbarg sich im Pferdekopfnebel. Der nach seiner Silhouette benannte "Nebel" ist eine gewaltige Wolke aus Gas und Staub, 1500 Lichtjahre von der Erde entfernt, in der Sterne entstehen. Es ist ein unverwechselbares Himmelsobjekt, intensiv untersucht von den Wissenschaftlern. Forscher des französischen Instituts für Millimeter-Radioastronomie IRAM richteten 2011 erneut ihr 30-Meter-Teleskop in der spanischen Sierra Nevada auf das Objekt. Es ging ihnen nicht um ein weiteres Bild des Pferdekopfs – sie wollten sein Spektrum. Die Strahlung, aufgebrochen nach Wellenlängen, verrät den Forschern die chemische Zusammensetzung eines Objekts. Auf dem Bildschirm ähnelt ein solches Spektrum Ausschlägen eines Herzmonitors. Jeder Ausschlag deutet auf ein Molekül, das Strahlung einer bestimmten Wellenlänge emittiert.

Jedes Molekül im Universum erzeugt seine eigenen charakteristischen Ausschläge, in Abhängigkeit von seinem Aufbau aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Die meisten Ausschläge konnten die Forscher problemlos bekannten chemischen Stoffen wie Kohlenmonoxid, Formaldehyd oder neutralem Kohlenstoff zuordnen. Doch da gab es auch eine kleine, nicht identifizierbare Linie bei einer Frequenz von 89,957 Gigahertz. Sie stellte die Astronomen vor ein Rätsel – es musste sich um ein bis dahin völlig unbekanntes Molekül handeln.

Sofort nachdem sie die Daten gesehen hatten, begannen Evelyne Roueff von der Sternwarte Paris und andere Chemiker des Teams theoretische Überlegungen darüber anzustellen, welche Art von Molekül ein solches Signal erzeugen könnte. Sie kamen zu dem Schluss, dass es sich um ein lineares Molekül handeln müsse – eine Substanz, deren Komponenten in einer geraden Kette angeordnet sind. Nur eine bestimmte Art eines linearen Moleküls könnte, so die Überlegung der Forscher, das beobachtete spektrale Muster erzeugen. Bei der Durchsicht von Listen geeigneter Moleküle stießen sie auf C3H+, Propynylidynium. Dieses molekulare Ion war noch nie beobachtet worden. Es gab genau genommen nicht einmal einen Beweis dafür, dass es überhaupt existiert. Wenn es sich bilden kann, dann wäre es hochgradig instabil. Auf der Erde würde es sofort mit irgendeinem anderen Stoff reagieren und sich damit in eine beständigere Substanz umwandeln. Doch im Weltraum, wo der Druck niedrig ist und Moleküle selten auf irgendetwas treffen, an das sie sich binden können, könnte C3H+ möglicherweise doch überleben.

Detektivarbeiten identifizieren neues Molekül

Roueff und ihre Kollegen untersuchten, ob der Pferdekopfnebel die richtigen Zutaten und Bedingungen für die Entstehung des Moleküls bereithält. Im Jahr 2012 veröffentlichten sie dann einen Artikel in der Fachzeitschrift "Astronomy & Astrophysics" mit der Schlussfolgerung, die bislang nicht identifizierbare Linie gehöre zu C3H+. "Ich war mir selbst zwar ziemlich sicher", sagt Roueff, "aber es dauerte zwei bis drei Jahre um alle anderen davon zu überzeugen, dass wir die korrekte Identifikation hatten."

Prompt traten Kritiker auf den Plan: Wenn C3H+ niemals zuvor beobachtet worden war, wie konnte man dann diese Linie sicher dem Molekül zuordnen? Der Beweis wurde 2014 geliefert, als es Forschern der Universität Köln gelang, C3H+ im Labor zu erzeugen – wenn auch nur für kurze Zeit. Das Experiment zeigte nicht nur, dass C3H+ existiert, es erlaubte den Forschern auch, das Anregungsspektrum des Moleküls zu messen – und es stimmt mit dem im Pferdekopfnebel sichtbaren Spektrum überein. "Es ist eine tolle Sache, ein neues Molekül zu finden, an das man vorher nicht einmal gedacht hat", sagt Roueff. "Man muss wie ein Detektiv arbeiten, um es über eine logische Kette zu identifizieren."

Ein rätselhaftes Molekül ist also identifiziert – aber es gibt noch viel mehr zu tun. Denn der Pferdekopfnebel ist keine Ausnahme. Egal wohin die Astronomen blicken – wenn sie nur genau genug hinschauen, sehen sie neue, nicht identifizierbare Spektrallinien. Die Stoffe, mit denen wir als Mitglieder jener Spezies, die für die große Vielfalt an Materialien auf diesem Planeten verantwortlich ist, vertraut sind, sind nur ein kleiner Teil der Stoffe, die die Natur erzeugt hat. Nach Jahrzehnten der Entwicklung theoretischer Modelle und Computersimulationen sowie der Durchführung von Laborexperimenten zur Erzeugung neuer Moleküle können Astrochemiker heute endlich Namen an viele der zuvor nicht identifizierbaren Linien schreiben.

Der interstellare Raum ist alles andere als leer

Noch bis in die 1960er Jahre hinein zweifelten die meisten Wissenschaftler daran, dass im interstellaren Raum überhaupt Moleküle existieren könnten: Sie dachten, die Strahlung sei dort zu stark, als dass außer Atomen und einigen wenigen freien Radikalen etwas bestehen könnte. Trotzdem begann Charles Townes von der University of California in Berkeley 1968, nach Molekülen im Weltall Ausschau zu halten. "Ich hatte den Eindruck, viele Astronomen in Berkeley hielten meine Idee für etwas verrückt", erinnerte sich der Forscher, der 2015 verstarb, in einem Bericht für die "Astronomical Society of the Pacific". Doch Townes ließ sich nicht beirren und baute einen neuen Verstärker für die sechs Meter große Antenne des Creek Radio Observatory in Kalifornien – und entdeckte Ammoniak in der Wolke Sagittarius B2. "Wie einfach – und wie aufregend!", schrieb er. "Sowohl die Presse als auch die Wissenschaftler fielen geradezu über uns her."

Im Jahr 1968 spürten Astronomen Ammoniak in der Gaswolke Sagittarius B2 auf.
© ESO/APEX & MSX/IPAC/NASA
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 Bild vergrößernDie Gaswolke Sagittarius B2 im Zentrum der Galaxis
Im Jahr 1968 spürten Astronomen Ammoniak in der Gaswolke Sagittarius B2 auf. Seither haben Forscher mehr als 200 Moleküle im Weltall gefunden. Viele davon unterscheiden sich erheblich von den auf der Erde bekannten Stoffen.

Seither haben Astronomen mehr als 200 Moleküle im Weltall gefunden. Viele davon unterscheiden sich erheblich von den auf der Erde bekannten Stoffen. "Wir betreiben Chemie üblicherweise basierend auf den Bedingungen, die auf der Erde herrschen", erläutert Ryan Fortenberry, Astrochemiker an der Georgia Southern University in den USA. "Wenn wir uns von diesem Paradigma entfernen, gibt es keine Grenzen mehr dafür, welche Chemikalien erzeugt werden können. Wenn man von einem Molekül träumt, egal wie bizarr, gibt es eine endliche Wahrscheinlichkeit dafür, dass es im Verlauf von Äonen und in den gewaltigen Weiten des Alls irgendwo existiert."

"Ein Molekül kann Jahr um Jahr umherfliegen, bevor es im interstellaren Raum auf ein anderes Molekül stößt" Timothy Lee

Der Weltraum ist eine außerordentlich fremdartige Umgebung. Die Temperaturen können dort sehr viel höher sein als auf der Erde, etwa in der Atmosphäre eines Sterns, andererseits aber auch viel niedriger, nämlich im relativ leeren interstellaren Raum. Ganz ähnlich kann der Druck viel höher oder viel niedriger sein als auf der Erde. Deshalb können sich im Weltall Moleküle bilden, die es auf unserem Planeten nicht geben kann – und sie können bestehen bleiben, selbst wenn sie hochgradig reaktiv sind. "Ein Molekül kann Jahr um Jahr umherfliegen, bevor es im interstellaren Raum auf ein anderes Molekül stößt", sagt Timothy Lee, Astrophysiker am Ames Research Center der NASA. "Wenn es sich zudem in einer Region ohne Strahlung aufhält, kann es für lange Zeit existieren, selbst wenn es nicht stabil ist."

Von diesen Weltraummolekülen können wir eine Menge lernen, sobald sie identifiziert sind. Manche könnten sich als nützlich erweisen, wenn Wissenschaftler erst lernen, sie im Labor herzustellen und ihre Eigenschaften anzuwenden. Andere Moleküle helfen vielleicht dabei, den Ursprung der organischen Stoffe zu erklären, aus denen auf der Erde das Leben entstanden ist. Und alle gemeinsam zeigen uns auf, was chemisch im Universum möglich ist.

Bahnbrechende Teleskope beschleunigen neue Entdeckungen

Mit der Inbetriebnahme neuer, leistungsfähiger Teleskope, die selbst sehr schwache Spektrallinien beobachten können, hat sich die Erforschung der fremdartigen Moleküle beschleunigt. "Wir leben heute in einer Blütezeit der Astrochemie", freut sich Susanna Widicus Weaver, Leiterin einer Astrochemiegruppe an der Emory University in einem Vorort von Atlanta im US-Bundestaat Georgia. Die jetzt verfügbaren Daten, so die Forscherin, stellen eine gewaltige Verbesserung gegenüber der Situation vor einem Jahrzehnt dar, als sie ihre Doktorarbeit abschloss. Das an Bord einer Boeing 747SP installierte Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy SOFIA der NASA begann 2010 mit Beobachtungen im Infrarot- und Mikrowellenbereich. Auf denselben Bereich ist auch das 2009 gestartete Herschel Space Observatory der ESA ausgerichtet.

Das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array ALMA in Chile.
© W. Garnier, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
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Das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array ALMA in Chile.

Den größten Fortschritt stellt jedoch das 2013 eingeweihte multinationale Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array ALMA dar. Es besteht aus 66 Schüsselantennen auf dem 5200 Meter hoch gelegenen Chajnantor-Plateau, einer marsähnlichen Ebene in der chilenischen Wüste Atacama, der trockensten Region der Welt. Sich im Gleichtakt drehend, sammeln die Antennen die Strahlung kosmischer Objekte. Der extrem dunkle und klare Himmel und die von Feuchtigkeit nahezu freie Luft verleihen dem Teleskop eine zuvor unerreichte Empfindlichkeit und Genauigkeit bei Wellenlängen vom Infrarot- bis zum Radiobereich. ALMA erzeugt sowohl ein Bild als auch Spektren für jeden Pixel des Bilds – und liefert damit Zehntausende von Spektrallinien für jede Himmelsregion, die es beobachtet. "Es ist zugleich erstaunlich und überwältigend", sagt Weaver. "Die Datenmengen sind so groß, dass wir sie häufig auf Flash-Speichern an die Wissenschaftler schicken müssen – sie sind zu umfangreich, um sie herunterzuladen." Die Datenflut enthält haufenweise neue Spektrallinien für die Astrochemiker. Doch ähnlich wie bei nicht identifizierten Fingerabdrücken an einem Tatort sind diese Linien nutzlos, solange die Forscher sie nicht Molekülen zuordnen können.

Suche nach der Verbindung

Um zu den Linien passende Substanzen zu finden, haben die Wissenschaftler mehrere Möglichkeiten. Wie im Fall von C3H+ können die Astrochemiker mit der Theorie beginnen – also anhand des Spektrums versuchen zu erraten, was für eine Art von Molekül die Ursache sein könnte. Ein anderes Verfahren, die Ab-initio-Quantenchemie, erlaubt es den Forschern – die lateinische Bezeichnung deutet es an –, bei der reinen Quantenmechanik anzufangen und die Eigenschaften von Molekülen aus den Bewegungen seiner Protonen, Neutronen und Elektronen abzuleiten. Mit Hilfe eines Supercomputers können die Wissenschaftler diese Berechnung mehrfach mit leichten Änderungen der Struktur des Moleküls und der Anordnung seiner Bestandteile wiederholen und so die optimale Geometrie der chemischen Verbindung finden. "Dank der Quantenchemie sind wir nicht länger auf das beschränkt, was wir synthetisieren können", sagt Fortenberry. "Nur noch die Größe der Moleküle setzt uns eine Grenze. Wir benötigen große Mengen an Computerzeit, um die Berechnungen durchzuführen."

"Wir leben heute in einer Blütezeit der Astrochemie" Susanna Widicus Weaver

Natürlich können die Forscher auch nach harten Beweisen für neue Moleküle suchen, indem sie diese im Labor erzeugen und dann direkt ihr Spektrum messen. Ein übliches Verfahren nutzt eine mit Gas gefüllte Kammer, durch die ein elektrischer Strom geleitet wird. Elektronen des Stroms können dann mit Gasmolekülen kollidieren, deren chemische Bindungen aufbrechen und so die Entstehung neuer Moleküle einleiten. Bei solchen Experimenten muss der Gasdruck niedrig sein, damit neu entstehende Moleküle die Gelegenheit haben, sich eine Weile frei zu bewegen, bevor sie auf ein anderes Molekül stoßen und mit ihm reagieren. Die Forscher durchleuchten die Kammer dann mit Licht unterschiedlichster Wellenlängen, um die Spektren der in der Kammer enthaltenen Stoffe zu bestimmen. "Es kann passieren, das man so im Labor tatsächlich dasselbe Molekül erzeugt, das man im All gesehen hat – aber immer noch nicht weiß, worum es sich bei diesem Molekül handelt", sagt Michael McCarthy, Physiker am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics im amerikanischen Cambridge. "Dann muss man versuchen, seine Zusammensetzung mit Hilfe verschiedener Laborexperimente mit unterschiedlichen Ausgangsstoffen zu ermitteln."

McCarthy und seine Kollegen erzeugten 2006 das negativ geladene Molekül C6H- und bestimmten sein Spektrum. Kurz darauf fanden sie die Spektrallinien dieses Moleküls in der 430 Lichtjahre entfernten Taurus-Molekülwolke. Frühere Suchaktionen nach negativ geladenen Molekülen im All waren alle erfolglos verlaufen, daher bezweifelten viele Wissenschaftler, dass solche Moleküle überhaupt in signifikanten Mengen existierten. "Das führte uns zu einer ganzen Reihe von Entdeckungen, bei denen wir ähnliche Moleküle zunächst im Labor erzeugten und dann im Weltraum aufspürten", so McCarthy. Inzwischen hat das Team C6H- in über einem Dutzend Quellen gefunden.

Die Taurus-Molekülwolke, aufgenommen von APEX, dem Atacama Pathfinder Experiment.
© ESO/APEX (MPIfR/ESO/OSO)/A. Hacar et al./Digitized Sky Survey 2
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Die Taurus-Molekülwolke, aufgenommen von APEX, dem Atacama Pathfinder Experiment.

Bei ihren Versuchen, neue Chemikalien herzustellen, stießen Wissenschaftler 1980 auf einen seltsamen, auf der Erde normalerweise nicht vorkommenden Stoff aus Wasserstoff und dem Edelgas Argon. Und 2013 fanden Astronomen mit Hilfe von ALMA dieses Argonium 36ArH+ zunächst im Krebsnebel und später auch in einer fernen Galaxie. Verbindungen, die Edelgase enthalten, können nur unter sehr speziellen Bedingungen entstehen. Möglicherweise stoßen im Weltraum hochenergetische Teilchen der kosmischen Strahlung mit Argonatomen zusammen, schlagen Elektronen heraus und ermöglichen so die Bindung an Wasserstoff. Wenn Wissenschaftler in einer Region Argonium sehen, gehen sie deshalb davon aus, dass diese Region stark von kosmischer Strahlung durchflutet ist. "Es handelt sich um einen sehr spezifischen Indikator für solche Bedingungen, die tatsächlich eine wichtige Rolle im Weltall spielen", sagt der Leiter des Entdeckerteams, Holger Müller von der Universität Köln.

Fremde Moleküle riechen vermutlich stark

Viele der in Sternen und Gaswolken verborgenen Moleküle sind extrem fremdartig. Es ist sinnlos, danach zu fragen, wie diese Stoffe aussehen oder sich anfühlen würden, wenn man sie in der Hand hielte – denn das ist nicht möglich, sie würden sofort reagieren. Würde man tatsächlich mit ihnen in Kontakt kommen, so wären sie mit ziemlicher Sicherheit giftig und Krebs erregend. Allerdings – so seltsam es klingt – haben die Wissenschaftler trotzdem eine grobe Vorstellung davon, wie diese Moleküle riechen würden. Denn viele der bislang entdeckten Moleküle zählen zu den aromatischen Verbindungen, die mit Benzol C6H6 verwandt sind und ihre Bezeichnung ursprünglich auf Grund ihres starken Geruchs erhielten.

Einige der neuen Stoffe zeigen überraschende atomare Strukturen, und die elektrischen Ladungen sind zwischen ihren Atomen in oft unerwarteter Weise verteilt. Mitunter stellen sie die gegenwärtigen Theorien der molekularen Bindungen in Frage. Ein Beispiel aus jüngster Zeit dafür ist das Molekül SiCSi, 2015 in einem sterbenden Stern entdeckt. Es besteht aus zwei Siliziumatomen und einem Kohlenstoffatom, die auf überraschende Weise miteinander verbunden sind. Das resultierende Molekül ist weich und biegsam und erzeugt ein von den Vorhersagen einfacher theoretischer Modelle abweichendes Spektrum.

Moleküle im Weltall könnten dazu beitragen, eine der grundlegenden Fragen des Universums zu beantworten: Wie entstand das Leben? Bislang wissen die Wissenschaftler nicht, ob Aminosäuren, also die Bausteine des Lebens, zuerst auf der Erde oder zuerst im All entstanden – und dann von Kometen und Meteoriten auf unseren Planeten transportiert wurden. "Die große Frage ist: Entstehen sie in Molekülwolken, wenn dort Sterne entstehen?", so Weaver. "Oder entstehen sie auf einem Planeten oder anderen Brocken aus Gestein, wo chemische Reaktionen auf der Oberfläche möglich sind?" Von der Antwort hängt es ab, ob Aminosäuren im Universum häufig vorkommen und damit überall verfügbar sind, um Leben auf den Myriaden von Exoplaneten zu säen. Oder ob die chemischen Reaktionen, aus denen wir entstanden sind, isolierte Ereignisse in unserer planetarischen Krippe waren. Astrochemiker sind bereits auf Anzeichen für Aminosäuren im Weltall gestoßen – und ebenso auf Moleküle, aus denen sich Aminosäuren bilden könnten.

Die Herstellung von Buckyballs – Molekülen aus sechzig Kohlenstoff-Atomen – gelang zunächst im Labor, erst danach entdeckten Astronomen diese Moleküle auch im Weltall.
© NASA/JPL-Caltech
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Die Herstellung von Buckyballs – Molekülen aus 60 Kohlenstoffatomen – gelang zunächst im Labor, erst danach entdeckten Astronomen diese Moleküle auch im Weltall.

Manche seltene Arten von Molekülen könnten sich auch als nützlich für uns erweisen, wenn man sie nur in ausreichenden Mengen herstellen und unter kontrollierten Bedingungen erhalten könnte. "Die große Hoffnung der Astrochemie ist es, Moleküle mit völlig neuen Eigenschaften zu finden, die wir zur Lösung von Problemen auf der Erde gebrauchen können", sagt Fortenberry. Ein Beispiel dafür sind "Buckyballs", fußballförmige Moleküle aus 60 Kohlenstoffatomen. Sie wurden 1985 erstmals im Labor nachgewiesen – und brachten ihren Entdeckern den Nobelpreis ein. Knapp ein Jahrzehnt später stießen Astronomen im interstellaren Gas auf Spektrallinien, die mit jenen positiv geladener Buckyballs übereinzustimmen schienen. Der Verdacht bestätigte sich im Juli 2015: Forschern gelang es, die beobachteten Spektrallinien unter weltraumähnlichen Bedingungen im Labor zu reproduzieren. "Wir finden dieses Molekül nun überall in der Galaxis und überall im Universum", sagt Harold Kroto, einer der Buckyball-Entdecker, der jetzt als Professor für Chemie an der Florida State University tätig ist. Und inzwischen hat sich gezeigt, dass Buckyballs nicht nur eine weitere seltsame Molekülspezies im All sind, sondern nützliche Werkzeuge für die Nanotechnologie. Mit ihnen lassen sich Materialien verstärken und Solarzellen verbessern, selbst im pharmazeutischen Bereich finden sie Anwendung.

Derzeit untersuchen die Astrochemiker erst die flachen Küstenregionen des großen Meeres kosmischer Moleküle. Ihre Entdeckungen haben uns bereits daran erinnert, dass unsere kleine Ecke des Kosmos eben genau das ist – ein unbedeutender, nicht unbedingt repräsentativer Ausschnitt dessen, was im Universum möglich ist. Vielleicht sind die Molekülarten, mit denen wir auf der Erde vertraut sind, in Wahrheit die Exoten. Und die Buckyballs, das C3H+ im Pferdekopfnebel und all die anderen, noch unbekannten Molekülarten repräsentieren die kosmische Normalität.