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MPE News

Erste Experimente in CAS-Laboratorien

12. Mai 2016

Zwei Laborexperimente, die in der CAS-Gruppe am MPE entwickelt und gebaut wurden, konnten kürzlich ihre ersten Aufnahmen machen. Beide Experimente wurden entwickelt, um astronomische Beobachtungen und die astrochemischen Modellierung von Molekülen zu unterstützen, indem sie deren Rotationsübergänge im Labor untersuchen. Diese Laborexperimente ermöglichen es den Wissenschaftlern, die Übergangsfrequenzen von astrophysikalisch relevanten Molekülen mit hoher Genauigkeit im Labor zu messen und zwar in dem Frequenzbereich, der bei großen Sub-/Millimeter Teleskopen wie IRAM NOEMA und ALMA verfügbar ist. Die Kenntnis dieser Übergangsfrequenzen ist die Grundvoraussetzung für die Identifikation dieser Übergänge in den astronomischen Spektren.Die neuen molekularen Studien in den CAS-Labors werden als leistungsfähige neue Werkzeuge eingesetzt werden, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften von interstellaren Wolken zu verstehen, in denen sich Sterne und Planeten bilden.

Schematische Darstellung des CASAC-Experimentes, mit dem das Rotationsspektrum leichter, hochreaktiver Moleküle untersucht wird. Bild vergrößern
Schematische Darstellung des CASAC-Experimentes, mit dem das Rotationsspektrum leichter, hochreaktiver Moleküle untersucht wird. [weniger]

In den frühen Phasen der Sternentstehung beruhen die meisten chemischen Prozesse, die in der Gasphase auftreten, auf kleinen Molekülen mit relativ leichten Elementen (aus der ersten und zweiten Zeile des Periodensystems). Die Rotationsspektren dieser Moleküle können mit Millimeter/Submillimeter-Teleskopen beobachtet werden, und bieten so ein gute Möglichkeit, die physikalischen Bedingungen und die Entwicklung des interstellaren Gases zu untersuchen. Aufgrund der ganz unterschiedlichen Bedingungen im interstellaren Raum ist es eine Herausforderung astrophysikalisch relevante Moleküle und deren Konfigurationen zu präparieren und zu untersuchen, sowohl experimentell als auch durch Beobachtungen.

<p>Aufnahme eines Rotationsübergangs von H<sub>2</sub>O mit CASAC. Das Doppler-Spektrum wurde bei einem Druck von 15 mTorr aufgezeichnet, die Frequenzmodulation hatte eine Rate von 15 kHz und eine Tiefe von 350 kHz. Die viel schmalere Sättigungslinie entstand bei einem Druck von 0,5 mTorr und bei einer Frequenzmodulation mit einer Rate von 1,5 kHz und einer Tiefe von 30 kHz. Um die Zentralfrequenz von 183310.088(2) MHz zu bestimmen, wurde ein Modell an die Sättigungslinie angepasst.</p> Bild vergrößern

Aufnahme eines Rotationsübergangs von H2O mit CASAC. Das Doppler-Spektrum wurde bei einem Druck von 15 mTorr aufgezeichnet, die Frequenzmodulation hatte eine Rate von 15 kHz und eine Tiefe von 350 kHz. Die viel schmalere Sättigungslinie entstand bei einem Druck von 0,5 mTorr und bei einer Frequenzmodulation mit einer Rate von 1,5 kHz und einer Tiefe von 30 kHz. Um die Zentralfrequenz von 183310.088(2) MHz zu bestimmen, wurde ein Modell an die Sättigungslinie angepasst.

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Für zwei Spektrometer, die vom Zentrum für astrochemischen Studien (CAS) entwickelt wurden, gab es vor kurzem das "erste Licht", d.h. die erste Akquisition eines molekularen Spektrums: das CASAC-Spektrometer und ein Fourier-Transformations-Spektrometer (CP-FTS). Dies läutet eine neue Phase in der Aktivität der Gruppe seit ihrer Gründung am MPE im Jahr 2014 ein. Ein Hauptziel hierbei ist die präzise Bestimmung spektroskopischer Eigenschaften astrophysikalisch relevanter Moleküle um basierend auf diesen Daten, deren astronomische Beobachtung zu ermöglichen. Die Verknüpfung von Labordaten mit den astronomischen Beobachtungen und astrochemischen Modellen ist entscheidend, um das Verständnis der chemischen, so wie physikalischen Prozesse zu verbessern, die in Sternentstehungsgebieten stattfinden. Eine kryogene Kammer zur Untersuchung von Eis sowie ein Apparat für Überschallexpansion eines freien Strahls befinden sich ebenfalls aktiv in der Entwicklung.

Das CP-FTS mit der gekoppelten Wellenleiter-Zelle. Dieses Spektrometer kann das Rotationsspektrum von schwereren organischen Spezies wie präbiotischen Molekülen mit ihrer großen Anzahl von Linien messen. Bild vergrößern
Das CP-FTS mit der gekoppelten Wellenleiter-Zelle. Dieses Spektrometer kann das Rotationsspektrum von schwereren organischen Spezies wie präbiotischen Molekülen mit ihrer großen Anzahl von Linien messen. [weniger]

Das CASAC-Experiment erreichte "erstes Licht" im Februar. Der Versuchsaufbau bekam seitdem den letzten Schliff; die letzte Ausrüstung wurde im April installiert. Seine primäre Aufgabe ist die Untersuchung von leichten, hochreaktiven Molekülen, wie Ionen und Radikalen, die in einem gekühlten Niederdruck-Plasma erzeugt werden. Das Gerät arbeitet im Spektralbereich von 80 bis 1100 GHz (4 mm bis 250 μm) mit einem modularen Satz Schottky-Dioden und deckt damit nahezu den gesamten Frequenzbereich ab, der derzeit durch die modernsten Teleskope weltweit im Millimeter/Submillimeter-Bereich bereitgestellt wird.

Ein molekulares Plasma wird in einem 2 m langen Borosilikatglas-Rohr mit 5 cm Durchmesser erzeugt. Die Zelle wird durch flüssigen Stickstoff gekühlt und befindet sich in einer Magnetspule. Damit haben die Experimentatoren die Option, das Plasma in der Mitte des Rohres in einem axial ausgerichteten Magnetfeld einzusperren. Zwei Vakuumpumpen bilden den Kern eines Pumpsystems mit hohem Durchsatz, so dass man eine hohe Durchflussrate beibehalten kann bei dem für die Erzeugung von instabilen Molekülen nötigen Druck.

<p>Aufnahme eines 4 GHz-Scans des Inversionsspektrums einer Ammoniakprobe. Dieses Spektrum wurde nach einer Integration von 250.000 Pulsen über ca. 20 Minuten gewonnen.</p> Bild vergrößern

Aufnahme eines 4 GHz-Scans des Inversionsspektrums einer Ammoniakprobe. Dieses Spektrum wurde nach einer Integration von 250.000 Pulsen über ca. 20 Minuten gewonnen.

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Außerdem wurde ein breitbandiges CPFT-Spektrometer entwickelt, welches zunächst den Frequenzbereich von 6 bis 26 GHz abdeckt. Bei diesen Frequenzen befinden sich die Rotationsspektren von schwereren organischen Spezies (insbesondere präbiotische Moleküle und ihre Bausteine, mit Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff). Diese Klasse von Molekülen zeigt oft ein komplexes Spektrum mit vielen einzelnen Linien aufgrund großamplitudiger, interner Bewegungen der im Molekül gebundenen Atome. Die breite, sofort verfügbare spektrale Bandbreite des Instruments ist ideal dafür geeignet, gleichzeitig eine große Anzahl von Linien zu messen.

Für die ersten Tests wurde das Spektrum von Ammoniak in einem vakuumdichten Hohlleiter gemessen. Das "erste Licht", ein Inversionsspektrum in der Nähe von 24 GHz, wurde Anfang Mai aufgezeichnet. Eine Frequenzerweiterung des Instrumentes für den Bereich von 80-110 GHz ist derzeit in Bearbeitung. Die gesamte Elektronik-Hardware des Gerätes ist in einem fahrbaren Metallrahmen untergebracht, so dass es in Zukunft mit verschiedensten Probenkammern kombiniert werden kann, die sich derzeit in der Planungsphase befinden.

 
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