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Weltraumchemie: Moleküle im All

Die Bedingungen im Weltall sind harsch und dennoch finden Astronomen dort eine erstaunliche Varietät an komplexen Molekülen. Nicht alle sind bisher identifiziert und manche geben sogar große Rätsel auf.
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Wie kam das Leben auf die Erde? Bisher kann niemand diese Frage mit Sicherheit beantworten. Spekulieren lässt sich dagegen gut. Denkbar wäre beispielsweise eine Anreise aus dem Weltall – mit Hilfe von Meteoriten. Tatsächlich lassen sich eine ganze Reihe von Aminosäuren in diesen Gesteinsbrocken finden. Deshalb sollte man annehmen, dass die "Bausteine des Lebens" auch im Weltall existieren können.

"Irgendwie müssen sie ja in die Meteoriten gekommen sein", sagt Karl Menten vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Man muss allerdings vorsichtig sein, mahnt er. "Landet ein Meteorit auf unserem Planeten, wird er schnell kontaminiert: Leben auf der Erde ist unglaublich aggressiv." Der Fund von Aminosäuren, die in der Natur nicht oder nur äußerst selten vorkommen, sprechen allerdings für einen außerirdischen Ursprung. Trotz dieser Indizien gelang es bisher nicht, Aminosäuren auch in den Weiten des Weltalls auszumachen.

Chemiebaukasten im All

Stattdessen erspähten Astronomen dort aber jede Menge andere organische, also auf Kohlenstoff basierende, Moleküle: Insgesamt kamen in interstellaren Nebeln oder den Hüllen alter Sterne inzwischen rund 150 verschiedene Exemplare zusammen. Darunter Verbindungen wie Formaldehyd, Ameisensäure oder Methanol.

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Am galaktischen Zentrum | Ein Panorama-Röntgenblick über mehrere hundert Lichtjahre zeigt die Nachbarschaft des galaktischen Zentrums. Supernova-Überreste, Schwarze Löcher und Hunderte von namenlosen Punktquellen – Neutronensterne oder Weiße Zwerge – erhellen diese Region im Röntgenlicht. Sie enthält ebenfalls riesige Molekülwolken, in denen Sterne entstehen, wie Sagittarius A, B1, B2 und C. Ein besonders dichter Teil von Sagittarius B2 ist auch bekannt als die "Heimat der großen Moleküle".
Besonders freute Karl Menten der Fund von Aminoacetonitril (NH2CH2CN). 15 Jahre lang hatte er mit Hilfe radioastronomischer Methoden nach diesem nahen Verwandten der Aminosäure Glycin gefahndet. Fündig wurden er und seine Kollegen schließlich in der "Heimat der großen Moleküle" – einem besonders dichten Nebel nahe dem galaktischen Zentrum, in dem sich anscheinend besonders viele komplexe Verbindungen tummeln.

Der einzige Weg ihnen auf die Schliche zu kommen, führt über die aus dem Weltall empfangene elektromagnetische Strahlung: Interstellare Staubteilchen und Moleküle absorbieren, emittieren und streuen Licht und hinterlassen so ihren individuellen Fingerabdruck – in Form von charakteristischen Spektrallinien. Aus deren Gestalt und Intensität lässt sich sogar auf deren Häufigkeit, der Umgebungstemperatur und Dichte schließen.

Auf Spurensuche

Natürlich müssen Forscher – wie jeder gute Kriminalist – die Fingerabdrücke kennen, bevor sie solche Aussagen machen können. Astrophysiker wie Friedrich Huisken von der Laborastrophysikgruppe des Max-Planck-Instituts für Astronomie an der Universität Jena erzeugen deshalb sehr genaue Spektren in ihrem Labor. "Man muss die Experimente natürlich unter solchen Bedingungen durchführen, wie sie im Weltall vorherrschen: zum einen bei sehr niedrigen Temperaturen und zum anderen in sehr geringen Dichten", beschreibt er seine Arbeit.

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Diffuse interstellare Banden | Molekülwolkenspektren weisen diese oder ähnliche Absorptionslinien im sichtbaren Spektralbereich auf. Woher sie stammen, ist bislang noch ein Rätsel.
Die im Labor untersuchten Moleküle decken aber noch längst nicht alles ab, was dort oben herumschwirrt und so tummeln sich immer noch viele herrenlose Linien in den Spektren von Molekülwolken. "Im sichtbaren Bereich liegen etwa 300 unidentifizierte Linien, die so genannten diffusen interstellaren Banden", erklärt Huisken. "Interessanterweise beobachtet man diese Linien nicht nur in einem Objekt, sondern praktisch in allen." Es gäbe zwar feine Unterschiede, aber im Prinzip seien diese intensiven Absorptionslinien in jeder Molekülwolke vorhanden. "Diese Spezies müssen dort also in großer Häufigkeit vorkommen", fügt der Physiker hinzu. Sie zuzuordnen, sei ein großes Ziel der Laborastrophysik.

Molekül-Casting

"Zunächst einmal muss man sich geeignete Kandidaten überlegen", sagt Huisken. Die Auswahl wird anhand der bekannten Elementhäufigkeiten im All getroffen – zum Beispiel ist neben Wasserstoff und Sauerstoff auch Kohlenstoff ein wichtiger Bestandteil. Denkbar wären etwa gerade Kohlenstoffketten. Eine andere Klasse sind die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAKs), die sich aus mehreren Benzolringen zusammensetzen. Astronomisch gesehen zählen sie bereits zum Staub, der etwa ein Prozent der interstellaren Materie ausmacht. Auf der Erde lassen sich die PAKs beispielsweise in Kohle, Erdöl oder den Abgasen von Dieselmotoren finden. Als Reinsubstanz für Analysezwecke kosten sie allerdings viel Geld, bedauert der Forscher.

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Molekularstrahlapparatur | Friedrich Huisken vor einer Molekularstrahlapparatur im Forschungslabor der Jenaer Laborastrophysiker. In diesen und anderen Apparaturen untersuchen er und sein Team Moleküle unter "Weltraumbedingungen".
Im infraroten Wellenlängenbereich beobachten Astronomen die Emission dieser Moleküle. "Man weiß also, dass es diese Klasse dort oben gibt", sagt Huisken. Das Problem ist nun, dass man sich hunderttausende verschiedene PAKs vorstellen kann und alle – wenn auch unterschiedliche Moleküle – im Infraroten an derselben Position ihren Fingerabdruck hinterlassen. Zumindest in diesem Spektralbereich verlieren sie also ihre Individualtität.

Im ultravioletten und sichtbaren Licht könnte man sie unterscheiden. Allerdings ist in den meisten Fällen unbekannt, an welcher Stelle die einzelnen PAKs dort ihre Spuren hinterlassen. Huisken und sein Team haben in den vergangenen Jahren die Spektren verschiedener polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe gemessen, wie etwa Naphthalen oder Anthracen. Leider war darunter bis jetzt kein Molekül, das mit astrophysikalischen Beobachtungen übereinstimmt.

Frustrierende Jagd

"Je länger wir und Kollegen mit diesen PAks arbeiten, desto skeptischer sind wir, dass sie für die rätselhaften Linien verantwortlich sind", kommentiert Huisken. Es könne sich auch um eine ganz andere Molekülklasse handeln. Manche Wissenschaftler gehen nicht ganz so weit: Sie wollen die PAKs erst einmal leicht verändern und zum Beispiel ein Stickstoffatom einbauen. Aber auch hier gäbe es wieder unglaublich viele verschiedene Molekülvarianten. Und warum sollte gerade eine spezielle dort oben so häufig auftreten, dass sie derart starke Absorptionslinien erzeugt?

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Anthracen | Anthracen ist ein kondensierter aromatischer Kohlenwasserstoff mit der Summenformel C14H10. Friedrich Huisken und seine Kollegen haben diesen neben vielen anderen PAKs in ihrem Labor untersucht.
Gäbe es viele verschiedene Verbindungen, die jeweils andere Linien beisteuern, würden sie nur einen großen Untergrund im Spektrum erzeugen, verdeutlicht Huisken die Problematik. Eine Lösung scheint bisher nicht in Sicht. Liegt es an den falschen Kandidaten oder an unzureichenden Versuchsbedingungen? Schließlich sei es extrem schwierig die astrophysikalischen Bedingungen exakt zu reproduzieren. So sind die Proben oft Sauerstoff ausgesetzt, wenn auch nur in extrem geringen Mengen – im Vakuum des Weltalls kommt so etwas nicht vor.

"Das man die gesuchten Linien nicht beobachtet, heißt aber noch nicht unbedingt, dass es die von uns vermuteten Moleküle dort oben überhaupt nicht gibt", sagt Huisken. Vielleicht ist ihre Häufigkeit und damit ihre Intensität einfach zu gering, womit sie im Wust der übrigen Linien verschwinden. Dieser Umstand könnte auch auf die bislang unauffindlichen Aminosäuren im All zutreffen. Denn je komplexer die Verbindungen sind, desto mehr interne Energiezustände können sie besitzen und damit umso mehr Spektrallinien.

Vielseitige Moleküle

"Stellen sie sich nur Methanol (CH3OH) vor", sagt Karl Menten, "es kann nicht nur rotieren – die einzelnen Atome können sich darin auch vom Kohlenstoffatom wegbewegen – das Molekül schwingt – oder aber die OH-Bindung verdreht sich relativ zu den anderen." Dadurch hat das Molekül ernorm viele Möglichkeiten, seine interne Energie, die es durch Kollisionen mit dem millionenmal häufigeren Wasserstoffmolekülen erhält, zu verteilen. Da sich nun alle Methanolmoleküle in einer interstellaren Wolke über sehr viele der verfügbaren Energiezustände verteilen, sind die von ihnen ausgesandten Spektrallinien relativ schwach – dabei ist Methanol noch ein ziemlich häufiges Molekül.

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Struktur des Aminoacetonitril | Nach der einfachsten Aminosäure Glycin (NH2CH2COOH) wurde in kosmischen Quellen bereits lange, doch bisher vergeblich gesucht. Angesichts dieser Schwierigkeiten konzentrierte sich die Fahndung auf Aminoacetonitril (NH2CH2CN) – einen chemischen Verwandten und möglichen direkten Vorläufer von Glycin.
"Aminoacetonitril können wir gerade noch nachweisen", verrät der Physiker. Wäre es nur halb so häufig wie es ist, hätten die Forscher es nicht mehr aufspüren können. "Glycin und auch andere Aminosäuren sind wahrscheinlich da, aber die einzelnen Spektrallinien sind so schwach, dass man sie mit heutiger Technik nicht mehr detektieren kann." In ein paar Jahren wird das vielleicht möglich sein – etwa mit der aus 50 Einzelteleskopen bestehenden Radioteleskopanlage ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array), das gerade in der Atacamawüste aufgebaut wird. "Da bin ich ziemlich zuversichtlich", sagt Menten.

Und was ist nun mit dem Leben aus dem All? Es ist wohl ziemlich klar, dass das Wasser aus dem Weltall zu uns kam, meint Menten. "Und wenn sie Wasser haben und einfache Moleküle, dann entstehen wahrscheinlich zwangsläufig komplexere Moleküle wie Aminosäuren – auch ohne dass welche aus dem Weltall anreisen – weil einfach alles sehr dicht zusammen ist." Vielleicht, so gibt er zu bedenken, sind ja auch nicht die Bausteine des Lebens, sondern gleich das Leben selbst auf unseren Planeten gereist – in Form von Bakterien. Darauf gäbe es derzeit aber erst recht keine eindeutige Antwort.
17. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 17. Woche 2009

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