Wasser: Ein ganz besonderer Stoff im All
Vor 40 Jahren ging das 100-Meter-Radioteleskop bei Effelsberg in der Eifel in Betrieb.
Es wird vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie betrieben. Es half vor
Jahren bei der Entdeckung des Wassermoleküls jenseits der Galaxis und mit seiner
Hilfe fanden Astronomen Wasser in der größten bekannten Entfernung. Jüngst
stießen die Bonner Astronomen auch auf Wasserstoffperoxid, einem Schlüsselmolekül
zum Verständnis der Abläufe zur Bildung von Wasser.
Das 100-Meter-Radioteleskop bei Effelsberg
in der Eifel spielt bei der Erforschung
von Wasser im Universum eine
wichtige Rolle – und das vor allem, wenn es
um seinen Nachweis in sehr großen
Entfernungen
jenseits unserer Galaxis geht. Im Jahr 1977 entdeckte
eine Forschergruppe vom Max-Planck-Institut
für Radioastronomie (MPIfR) in
Bonn sowie der Sternwarten in Hamburg
und Meudon in Frankreich mit diesem
größten Radioteleskop Europas das Wassermolekül
erstmals außerhalb unseres
Milchstraßensystems. Sie fanden es in der
knapp drei Millionen Lichtjahre von uns
entfernten Galaxie Messier 33 im Sternbild
Dreieck.
Mehr als 20 Jahre später schoben Astronomen diesen Entfernungsrekord um ein Vielfaches weiter hinaus – und wiederum war das 100-Meter-Radioteleskop beteiligt. Diesmal wiesen sie Wasser im Zentralbereich der aktiven Galaxie 3C 403 in rund 750 Millionen Lichtjahren Entfernung nach. Die Molekülstrahlung wird dabei durch den Maser-Effekt (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – das Äquivalent eines Lasers im Bereich von Radiowellen) so weit verstärkt, dass sie sich auch über diese großen Entfernungen noch nachweisen lässt. Als Quelle für Wasser-Maser in den weit entfernten Galaxien nehmen die Forscher heißes Gas und Staub an, die sich in einer Materie aufsammelnden Scheibe befinden, der Akkretionsscheibe: Diese umrunden die sehr massereichen Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien in geringem Abstand.
Und schließlich gelang es einer Forschergruppe
unter der Leitung der italienischen
Astronomin Violette Impellizzeri,
die zur Zeit der Veröffentlichung Doktorandin
am MPIfR war, ebenfalls mit dem
Effelsberger Radioteleskop Wasser in der
bisher größten bekannten Entfernung im
Universum nachzuweisen: Das Wassermolekül wurde
im Quasar MG J0414+0534 entdeckt, in einer Entfernung, die der Lichtlaufzeit von rund
11,1 Milliarden Jahren entspricht – der Rückschau
in eine Zeit, als das Universum nur ein
Fünftel seines heutigen Alters hatte.
Das Wasser in MG J0414+0534 ist vermutlich Bestandteil von Gas- und Staubwolken, die auf ein extrem massereiches Schwarzes Loch im Zentrum dieses weit entfernten Quasars einströmen. Diese Entdeckung von Wasser im frühen Universum wurde dadurch begünstigt, dass der Quasar MG J0414+0534 am Himmel zufällig in der gleichen Richtung steht wie eine Vordergrundgalaxie in geringerer Entfernung. Diese wirkt wie ein gewaltiges kosmisches Teleskop: Ihre Schwerkraft verstärkt das Licht des Quasars und verzerrt es gleichzeitig derart, dass vier separate Abbildungen des Quasars sichtbar werden. Ohne diesen Gravitationslinseneffekt hätte das 100-Meter-Teleskop volle 580 Tage Messzeit benötigt, um die Strahlung des Wassermoleküls sichtbar zu machen – so jedoch reichten lediglich 14 Stunden dafür aus.
Und noch ein weiterer glücklicher Umstand half
beim erfolgreichen Nachweis des Wassers dort: Die Rotverschiebung dieser Galaxie ist gerade
so groß, dass die Strahlung des Wassermoleküls
von der ursprünglichen Frequenz
von 22 Gigahertz auf rund sechs Gigahertz
verschoben wird, und damit in den
Frequenzbereich des am Effelsberger Radioteleskop
eingesetzten Sechs-Gigahertz-
Empfängers gelangt.
Das Signal entspricht einer Leuchtkraft
vom 10 000-Fachen der Sonnenleuchtkraft,
und das in nur einer einzigen Spektrallinie.
Man kennt solche astrophysikalischen Maserquellen aus Gebieten mit heißem dichten Staub und Gas. Der Nachweis des Wassers in MG J0414+0534 zeigte erstmals eine derart dichte Gaswolke in der Frühzeit des Universums. Die Bedingungen zur Bildung und zum Fortbestehen des Wassermoleküls mussten also bereits zu einer Zeit nur 2,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall vorgelegen haben.
Die Entdeckung des Wasserstoffperoxids
Die Erforschung von Wasser im Universum ist nicht zuletzt für die Entstehung des Wassers auf unserer Erde von Interesse. Die Wissenschaftler nehmen an, dass ein überwiegender Anteil davon im Weltall entstanden ist, und sie sind sehr daran interessiert zu verstehen, wie dieser Prozess ablief. In diesem Zusammenhang stellt Wasserstoffperoxid (H2O2) ein Schlüsselmolekül sowohl für Astronomen als auch für Chemiker dar. Seine Bildung ist eng mit zwei anderen, sehr vertrauten Molekülen verbunden, nämlich molekularem Sauerstoff (O2) und Wasser (H2O).
Beide
Moleküle wiederum sind unverzichtbare
Voraussetzungen für die Entstehung von
Leben, zumindest solchem, wie wir es auf
der Erde kennen. Zum ersten Mal ließen
sich nun Moleküle von Wasserstoffperoxid im interstellaren Raum nachweisen. Das Forscherteam um den
Schweden Per Bergman und Bérengère Parise
vom MPIfR identifizierte die charakteristische
Signatur von Wasserstoffperoxid
im rund 400 Lichtjahre von der Erde entfernten
Sternentstehungsgebiet Rho Ophiuchi
im Sternbild Schlangenträger.
Dort befinden sich mit einer Temperatur von rund minus 250 Grad Celsius extrem kalte und dichte Gas- und Staubwolken, in denen neue Sterne geboren werden. Diese Wolken bestehen überwiegend aus Wasserstoff und sind versetzt mit Spuren anderer Elemente und Chemikalien. Dadurch stellen sie erstklassige Zielorte bei der Jagd nach Molekülen im interstellaren Raum dar. Der Nachweis von Wasserstoffperoxid ist extrem schwierig, da von Laborexperimenten zwar bekannt ist, bei welcher Wellenlänge dieses Molekül strahlt (rund 22 Gigahertz), aber seine Häufigkeit liegt nur bei einem Zehnmilliardstel der Häufigkeit von Wasserstoffmolekülen.
Zur Entdeckung
solch geringer Spuren waren daher
sehr sorgfältige Messungen erforderlich.
Den gängigen Theorien nach bildet sich
Wasserstoffperoxid im Weltraum auf der
Oberfläche von Staubkörnern, also sehr
feinen Partikeln, die Sand oder Ruß ähneln.
Dabei verbindet sich atomarer Wasserstoff
(H) mit Sauerstoffmolekülen (O2).
Eine weitere chemische Reaktion des Wasserstoffperoxids
mit Wasserstoff kann
dann zur Entstehung von Wasser (H2O)
führen. Allein schon der Nachweis von
Wasserstoffperoxid trägt somit zum besseren
Verständnis der Entstehung von
Wasser im Universum bei. Seine Entdeckung
mit APEX dürfte belegen, dass kosmischer
Staub die bisher fehlende Zutat in
diesem Prozess darstellt.
Zurzeit ist noch nicht bekannt, wie sich einige der wichtigsten irdischen Molekülarten im Weltraum bilden. Bérengère Parise beschäftigt sich im Rahmen ihrer Emmy- Noether-Forschungsgruppe zur Sternentstehung und Astrochemie damit, auf welche Weise sich die Prozesse zur Entstehung dieser wichtigen Moleküle miteinander in Verbindung bringen lassen. Vermutlich werden auch in Zukunft Beobachtungen mit beiden Teleskopen des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie, dem 100-Meter-Radioteleskop in der Eifel und dem Zwölf-Meter-Teleskop APEX in Chile, für die Erforschung solcher Prozesse von Bedeutung sein.
Mehr als 20 Jahre später schoben Astronomen diesen Entfernungsrekord um ein Vielfaches weiter hinaus – und wiederum war das 100-Meter-Radioteleskop beteiligt. Diesmal wiesen sie Wasser im Zentralbereich der aktiven Galaxie 3C 403 in rund 750 Millionen Lichtjahren Entfernung nach. Die Molekülstrahlung wird dabei durch den Maser-Effekt (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – das Äquivalent eines Lasers im Bereich von Radiowellen) so weit verstärkt, dass sie sich auch über diese großen Entfernungen noch nachweisen lässt. Als Quelle für Wasser-Maser in den weit entfernten Galaxien nehmen die Forscher heißes Gas und Staub an, die sich in einer Materie aufsammelnden Scheibe befinden, der Akkretionsscheibe: Diese umrunden die sehr massereichen Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien in geringem Abstand.
Das Wasser in MG J0414+0534 ist vermutlich Bestandteil von Gas- und Staubwolken, die auf ein extrem massereiches Schwarzes Loch im Zentrum dieses weit entfernten Quasars einströmen. Diese Entdeckung von Wasser im frühen Universum wurde dadurch begünstigt, dass der Quasar MG J0414+0534 am Himmel zufällig in der gleichen Richtung steht wie eine Vordergrundgalaxie in geringerer Entfernung. Diese wirkt wie ein gewaltiges kosmisches Teleskop: Ihre Schwerkraft verstärkt das Licht des Quasars und verzerrt es gleichzeitig derart, dass vier separate Abbildungen des Quasars sichtbar werden. Ohne diesen Gravitationslinseneffekt hätte das 100-Meter-Teleskop volle 580 Tage Messzeit benötigt, um die Strahlung des Wassermoleküls sichtbar zu machen – so jedoch reichten lediglich 14 Stunden dafür aus.
Man kennt solche astrophysikalischen Maserquellen aus Gebieten mit heißem dichten Staub und Gas. Der Nachweis des Wassers in MG J0414+0534 zeigte erstmals eine derart dichte Gaswolke in der Frühzeit des Universums. Die Bedingungen zur Bildung und zum Fortbestehen des Wassermoleküls mussten also bereits zu einer Zeit nur 2,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall vorgelegen haben.
Die Entdeckung des Wasserstoffperoxids
Die Erforschung von Wasser im Universum ist nicht zuletzt für die Entstehung des Wassers auf unserer Erde von Interesse. Die Wissenschaftler nehmen an, dass ein überwiegender Anteil davon im Weltall entstanden ist, und sie sind sehr daran interessiert zu verstehen, wie dieser Prozess ablief. In diesem Zusammenhang stellt Wasserstoffperoxid (H2O2) ein Schlüsselmolekül sowohl für Astronomen als auch für Chemiker dar. Seine Bildung ist eng mit zwei anderen, sehr vertrauten Molekülen verbunden, nämlich molekularem Sauerstoff (O2) und Wasser (H2O).
Dort befinden sich mit einer Temperatur von rund minus 250 Grad Celsius extrem kalte und dichte Gas- und Staubwolken, in denen neue Sterne geboren werden. Diese Wolken bestehen überwiegend aus Wasserstoff und sind versetzt mit Spuren anderer Elemente und Chemikalien. Dadurch stellen sie erstklassige Zielorte bei der Jagd nach Molekülen im interstellaren Raum dar. Der Nachweis von Wasserstoffperoxid ist extrem schwierig, da von Laborexperimenten zwar bekannt ist, bei welcher Wellenlänge dieses Molekül strahlt (rund 22 Gigahertz), aber seine Häufigkeit liegt nur bei einem Zehnmilliardstel der Häufigkeit von Wasserstoffmolekülen.
Zurzeit ist noch nicht bekannt, wie sich einige der wichtigsten irdischen Molekülarten im Weltraum bilden. Bérengère Parise beschäftigt sich im Rahmen ihrer Emmy- Noether-Forschungsgruppe zur Sternentstehung und Astrochemie damit, auf welche Weise sich die Prozesse zur Entstehung dieser wichtigen Moleküle miteinander in Verbindung bringen lassen. Vermutlich werden auch in Zukunft Beobachtungen mit beiden Teleskopen des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie, dem 100-Meter-Radioteleskop in der Eifel und dem Zwölf-Meter-Teleskop APEX in Chile, für die Erforschung solcher Prozesse von Bedeutung sein.
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