MPE Pressemeldung

Lücken im Verständnis der Planeten und Sternentstehung werden geschlossen

Zentrum für astrochemische Studien am MPE nimmt Arbeit auf

10. April 2014

Ab April 2014 gibt es eine neue Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, die sich mit interstellaren Molekülen befasst und diese dazu nutzt, den Stern- und Planetenentstehungsprozess von Anfang bis Ende zu untersuchen. Die neu ernannte Direktorin Paola Caselli leitet das "Zentrum für astrochemische Studien am MPE" oder CAS@MPE, das Theoretiker, Beobachter und Laborwissenschaftler an einem Ort zusammenbringt. Mithilfe dieser einzigartigen Konzentration von Expertise können die Wissenschaftler endlich weiter in die Erforschung der Entstehung von organischen Molekülen im Weltraum eindringen sowie Fortschritte in Bezug auf unseren astrochemischen Ursprung machen.

<p>Sterne und Planeten entstehen in interstellaren Gaswolken (a), in denen Gas und Staub kondensieren und einen pr&auml;stellaren Kern bilden (b) der zu einem Protostern und einer protoplanetaren Scheibe (c) f&uuml;hrt. Letztlich beginnt der Stern zu leuchten und Planeten bilden sich (d). Um den gesamten Prozess von Anfang bis zum Ende nachzuverfolgen, m&uuml;ssen die Wissenschaftler nicht nur komplexe physikalische Prozesse und chemische Zusammenh&auml;nge verstehen, sondern auch viele Gr&ouml;&szlig;enordnungen in Dichte und Temperatur sowie sehr unterschiedliche Zeitskalen unter einen Hut bringen.</p> Bild vergrößern

Sterne und Planeten entstehen in interstellaren Gaswolken (a), in denen Gas und Staub kondensieren und einen prästellaren Kern bilden (b) der zu einem Protostern und einer protoplanetaren Scheibe (c) führt. Letztlich beginnt der Stern zu leuchten und Planeten bilden sich (d). Um den gesamten Prozess von Anfang bis zum Ende nachzuverfolgen, müssen die Wissenschaftler nicht nur komplexe physikalische Prozesse und chemische Zusammenhänge verstehen, sondern auch viele Größenordnungen in Dichte und Temperatur sowie sehr unterschiedliche Zeitskalen unter einen Hut bringen.

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Warum sind wir hier? Dies ist wahrscheinlich eine der faszinierendsten Fragen - nicht nur in der Astrophysik; viele Wissenschaftler (und Philosophen) haben versucht, eine Antwort auf diese Frage zu finden. Im Laufe der letzten Jahrzehnte machten die Astrophysiker einige Fortschritte dabei, bestimmte Aspekte der Entstehung von Planeten und Sternen, wie unserer Sonne, besser zu verstehen. Dabei beginnt alles im interstellaren Medium, einer relativ dichten (für astrophysikalische Verhältnisse) Wolke aus Gas und Staub. Diese Wolke verdichtet sich, ein Protostern und eine protoplanetare Scheibe bilden sich und schließlich wird ein Planetensystem geboren, das sogar einen Planet in der sogenannten habitablen Zone einschliessen könnte, in der flüssiges Wasser existieren kann.

"Mit den IRAM-Teleskopen, dem Herschel Weltraumobservatorium, ALMA oder anderen Teleskopen gibt es inzwischen sehr beeindruckende Beobachtungen von Staubwolken und Sternentstehungsregionen in unserer Milchstraße, die uns viel sowohl über die frühen als auch die späten Stadien der Sternentstehung verraten", erklärt Paola Caselli, Direktorin am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE). "Darüber hinaus haben wir anspruchsvolle theoretische Modelle für die physikalischen Prozesse und die dynamischen Vorgänge in den Wolken, sowie Labormessungen von Molekülen, die uns als Beobachtungswerkzeug dienen und die gleichzeitig die Bausteine des Lebens darstellen. Unser Ziel ist es, dies alles an einem Ort zusammen zu bringen: Theorie, Beobachtung und Labor. Die jeweiligen Experten in jedem Feld können voneinander lernen und alle haben das gemeinsame Ziel besser zu verstehen, wie Sternsysteme entstehen und wie sich die chemische Komplexität während dieses Prozesses der Stern- und Planetenentstehung entwickelt."

<p>Beobachtung einer eindeutigen Signatur von Wasser im pr&auml;stellaren Kern L1544 im Sternbild Stier. Um ein derart deutliches Signal zu erzeugen, m&uuml;ssen gro&szlig;e Mengen an Wasserdampf durch hochenergetische kosmische Strahlen von den eisigen Staubk&ouml;rnern in der Wolke freigesetzt werden.</p> Bild vergrößern

Beobachtung einer eindeutigen Signatur von Wasser im prästellaren Kern L1544 im Sternbild Stier. Um ein derart deutliches Signal zu erzeugen, müssen große Mengen an Wasserdampf durch hochenergetische kosmische Strahlen von den eisigen Staubkörnern in der Wolke freigesetzt werden.

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Vor der Geburt eines Sterns sind die Molekülwolken sehr kalt; sie haben eine Temperatur von nur wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt (ca. 10 Kelvin oder -260 ° Celsius). Deshalb kann man sie nicht im optischen Licht beobachten - sie sind dunkel. Doch selbst bei diesen niedrigen Temperaturen rotieren die Moleküle und emittieren dabei Photonen geringer Energie (bei Radiowellenlängen). Damit können die Astronomen durch Beobachtungen bei niedrigen Energien Informationen über die Anfangsbedingungen erhalten, unter denen sich Sterne und Planeten bilden. Gleichzeitig können sie untersuchen, wie sich diese interstellaren (größtenteils organischen) Moleküle bilden und wie sie zerstört werden. Theoretische Modelle werden entwickelt, um die Evolution von Staubteilchen und einfachen Molekülen unter dem Einfluss der Schwerkraft und unter Berücksichtigung von Magnetfeldern und Turbulenz nachzuverfolgen. Die Herausforderung für die Astronomen liegt dabei darin, das richtige Molekül für die Beobachtung zu finden.

"Dank der Astrochemie können wir die passenden Moleküle finden und sie als einzigartige Werkzeuge einsetzen, um die dynamische Entwicklung der interstellaren Materie zu untersuchen: von dünnen Wolken, über Sterne und Planeten bis hin zu Festkörpern wie Kometen und Meteoriten. Einige der interstellaren Moleküle sind gut bekannt, viele müssen wir aber erst noch genauer erforschen, da sie auf der Erde nicht so einfach produziert werden", führt Caselli aus. "Deshalb brauchen wir also auch ein Laborteam, das diese noch unbekannten interstellaren Moleküle herstellen und untersuchen kann. Damit können deren Spektren in Beobachtungen identifiziert und die astrochemischen und astrophysikalischen Theorien besser eingeschränkt werden." Das neue "Zentrum für astrochemische Studien am MPE" oder CAS@MPE wird daher Theoretiker, Beobachter und Laborwissenschaftler an einem Ort zusammenbringen, um die Moleküle und Molekülwolken zu untersuchen, die die Geburtsorte von Sternsystemen wie dem unseren sind.

Eine zusätzliche Komplikation kommt von Staub. Interstellare Staubkörner sind riesig im Vergleich zu den Molekülen, auch wenn sie für uns sehr klein scheinen (etwa 1000-mal kleiner als die durchschnittliche Dicke eines menschlichen Haares). Und die Moleküle reichen von einfachen, aus ein paar Atomen bestehenden Verbindungen (z.B. Wasser (H20), Kohlenmonoxid (CO), Ammoniak (NH3)), bis hin zu komplexen Molekülen, wie Methanol (CH3OH), Glykolaldehyd (HCOCH2OH, der einfachste Zucker), oder Amino-Acetonitril (NH2CH2CN, ein Vorläufer von Glycin, der einfachsten Aminosäure). Derartige präbiotische Moleküle hat man im Innern von Kometen und Meteoriten in unserem Sonnensystem gefunden – es bleibt aber die Frage, woher sie stammen.

<p>Molek&uuml;le aus dem interstellaren Gas frieren auf kosmischen Staubk&ouml;rnern aus und bilden einen Eismantel. Dies ver&auml;ndert nicht nur das Verhalten des Staubes, sondern k&ouml;nnte auch als Wasserreservoir f&uuml;r sp&auml;tere Phasen der Planetenentstehung dienen.</p> Bild vergrößern

Moleküle aus dem interstellaren Gas frieren auf kosmischen Staubkörnern aus und bilden einen Eismantel. Dies verändert nicht nur das Verhalten des Staubes, sondern könnte auch als Wasserreservoir für spätere Phasen der Planetenentstehung dienen.

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Moleküle können sich sowohl im interstellaren Gas bilden und sich dann auf der Oberfläche der Staubkörnchen anlagern (wie beispielsweise CO, das häufigste Molekül nach molekularem Wasserstoff H2), oder sie können sich direkt auf der Stauboberfläche bilden und dann verdampfen und in die Gasphase zurückkehren (wie H2 und H2O). Im Endeffekt erhalten die Staubteilchen in kalten Regionen im All aufgrund dieser Wechselwirkungen eine Eisschicht, die hauptsächlich aus Wassereis besteht, gemischt mit einfachen organischen Molekülen. Dieser Eismantel ändert sowohl das Verhalten des Staubes (so bleiben Staubteilchen beispielsweise leichter aneinander haften - der erste Schritt zur Planetenentstehung) als auch die des Gases, da nur bestimmte Moleküle ein Ausfrieren vermeiden können und daher in der Gasphase angereichert werden. Gleichzeitig bedeutet dies aber auch, dass große Mengen von Wasser und Eis mitsamt den organischen Molekülen konserviert werden und in späteren Phasen während der Bildung der Planetensysteme zur Verfügung stehen.

"Wenn wir all dieses Know-How von der Theorie, aus dem Labor und von Beobachtungen zusammenbringen und uns auf bestimmte Phasen der Sternentstehung konzentrieren, können wir die Lücken zwischen den verschiedenen Stufen schließen und die Entstehung von Sternen und Planeten sowie die Evolution der chemischen Komplexität im Laufe der Zeit nachverfolgen", ist Caselli zuversichtlich. Wenn schließlich auch Astrobiologen mit an Bord kommen, könnte dies sogar dazu beitragen, die menschliche Suche nach dem Ursprung des Lebens einen großen Schritt voranzutreiben.