Molekulare Ausströmungen eines jungen sonnenähnlichen Sterns: Ein neues Labor für „Schockchemie“
Eine vom Zentrum für Astrochemische Studien (CAS) am MPE geleitete Studie hat eine unerwartet reichhaltige chemische Zusammensetzung in den Materieausströmungen des jungen, sonnenähnlichen Protosterns IRAS 4B1 aufgedeckt, der sich in einer Entfernung von etwa 300 Parsec in der Sternentstehungsregion NGC 1333 in der Perseus-Molekülwolke befindet. Bislang gibt es nur ein einziges anderes sonnenähnliches System, in dem die Emission komplexer organischer Moleküle im Zusammenhang mit diesen Ausströmungen umfassend untersucht wurde, was IRAS 4B1 zu einem seltenen und wertvollen Labor macht, um zu erforschen, wie sich diese Moleküle unter extremen Bedingungen verhalten.
Eine der zentralen Fragen der Astrochemie ist, wie sich einfache interstellare Moleküle im Verlauf der Stern- und Planetenentstehung zu komplexeren Verbindungen entwickeln. Da sich diese Prozesse über Millionen von Jahren erstrecken, stützen sich Astronomen auf Momentaufnahmen vieler Systeme in unterschiedlichen Entwicklungsstadien und nutzen Vergleiche mit theoretischen Modellen, um die chemische Entwicklung nachzuverfolgen.
Protostellare Materieausströmungen bieten einen einzigartigen Einblick in diese Umwandlungsprozesse. In den frühesten Stadien der Sternentstehung wird Material mit hoher Geschwindigkeit aus der Umgebung des jungen Sterns ausgestoßen. Diese Kollision mit der umgebenden Wolke erzeugt Stoßwellen, die Gas und Staub komprimieren und kurzzeitig erhitzen – wodurch sich die chemische Zusammensetzung rasch verändert. Solche Stoßwellen können komplexe organische Moleküle (kohlenstoffhaltige Verbindungen mit mindestens sechs Atomen) freisetzen, die zuvor an Staubkörnern gebunden waren.
Trotz ihres Potentials gibt es nur wenige dieser Quellen, in den komplexe Moleküle nachgewiesen wurden. „Während ich an einem separaten PRODIGE-Projekt arbeitete, bei dem Methylcyanid (CH₃CN) in Richtung IRAS 4B1 kartiert wurde, fiel mir Emission auf, die eher diesen Ausströmungen zu folgen schien als der heißen Umgebung des entstehenden Sterns“, sagt Laura Busch, eine Postdoktorandin am MPE, die die Studie leitete. „Das veranlasste mich, die Daten nach weiteren komplexen Molekülen zu durchsuchen – und ich fand sie.“
Die mit dem Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) durchgeführten PRODIGE-Beobachtungen zeigen eine überraschend vielfältige chemische Zusammensetzung. „Die Kombination aus hoher Empfindlichkeit und breite spektrale Bandbreite macht PRODIGE ideal für diese Art von Untersuchung“, fügt Jaime Pineda, Wissenschaftler am MPE, hinzu. „Dadurch können wir mehrere komplexe Moleküle gleichzeitig nachweisen und kartieren – etwas, das sonst extrem schwierig wäre.“
Karten der molekularen Emission zeigen, dass die molekulare Zusammensetzung des Gases entlang der Materieausströmungen variiert – was auf Schwankungen in Temperatur und Dichte hindeutet. Einige Moleküle leuchten dort am hellsten, wo die Temperaturen am höchsten sind, während andere aus kühleren Zonen stammen und auf unterschiedliche chemische Reaktionswege hinweisen. Diese Erkenntnisse liefern neue Einblicke, wie Stoßwellen in den frühesten Phasen der Sternentstehung komplexe organische Moleküle – Vorläufer der präbiotischen Chemie – beeinflussen.
Das Projekt „PROtostars & DIsks: Global Evolution“ (PRODIGE; PIs: P. Caselli und Th. Henning) ist eine Zusammenarbeit zwischen der Max-Planck-Gesellschaft und dem Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) in Frankreich. Das Projekt beobachtete insgesamt 30 protostellare Systeme der Klasse 0/I in der Perseus-Molekülwolke, mit dem Hauptziel, die Kinematik der Sternentstehung zu untersuchen. Die Beobachtungen decken eine breite spektrale Bandbreite von 16 GHz ab – eine einzigartige Eigenschaft des NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) in den französischen Alpen, das vom IRAM betrieben wird und für die Datenerfassung genutzt wurde. Diese Bandbreite ist unerlässlich, um Moleküle zu identifizieren und ihre Emissionsspektren zu untersuchen.
