Den Kosmos nachbilden: Modelle zur Chemie von Schwefel in interstellaren Eisanaloga

Eines der hartnäckigsten chemischen Rätsel der Astronomie ist die Frage, warum ein Großteil des Schwefelvorrats in dichten interstellaren Wolken zu fehlen scheint. In einer neuen Studie unter der Leitung des Center for Astrochemical Studies (CAS) und in Zusammenarbeit mit dem Centro de Astrobiología in Madrid kombinierten Wissenschaftler des MPE Laborexperimente und fortschrittliche Computermodelle, um zu untersuchen, wie sich schwefelhaltige Moleküle auf eisigen Körnern im interstellaren Raum entwickeln. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die aktuellen Theorien zur Schwefelchemie im Kosmos unvollständig sind – weisen aber auch auf neue Wege hin, diese Lücke zu schließen.

In der Astronomie ist seit langem bekannt, dass Schwefel in dichten interstellaren Wolken weitaus häufiger vorkommen müsste, als Beobachtungen vermuten lassen. Dies lässt darauf schließen, dass der größte Teil des Schwefelvorrats in einer schwer nachweisbaren Form vorliegt und sich höchstwahrscheinlich im Eis befindet, das interstellare Staubkörner umhüllt. Um diesem „Problem des fehlenden Schwefels“ auf den Grund zu gehen, simulierten Forscherinnen und Forscher des MPE die Bestrahlung gefrorener Gemische aus Kohlendioxid (CO₂) und Schwefelkohlenstoff (CS₂) bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und simulierten so die Bedingungen im Inneren dunkler Molekülwolken, in denen sich Sterne und Planeten bilden. Mithilfe des am CAS entwickelten astrochemischen Codes pyRate, der speziell für das Experiment angepasst wurde, verfolgte das Team, wie ultraviolette Strahlung schwefelhaltiges Eis im Laufe der Zeit umwandelt.

In den Simulationen konnten mehrere zentrale chemische Prozesse, die im Labor beobachtet wurden, erfolgreich nachgebildet werden. Das Modell deckte jedoch auch erhebliche Unsicherheiten im derzeitigen Verständnis der Schwefelchemie auf. Einige Verbindungen – darunter OCS, CS und SO – bildeten sich in den Simulationen zu effizient, während andere, wie Schwefeldioxid und Schwefelallotrope, in zu geringen Mengen entstanden. „Die Diskrepanz zwischen den Simulationen und den Experimenten macht deutlich, wie begrenzt unser Wissen über die Entwicklung schwefelhaltiger Verbindungen unter interstellaren Bedingungen noch ist“, sagt Olli Sipilä, Postdoktorand am MPE und Leiter der Studie. „Die Durchführung von Simulationen, die speziell darauf zugeschnitten sind, Experimente nachzubilden, hilft uns jedoch, die experimentellen Ergebnisse besser zu verstehen, und ermöglicht es zudem, Effekte einzugrenzen, die während des Experiments auftraten, aber nicht direkt nachgewiesen werden konnten.“

Auf der Suche nach dem verborgenen Schwefelvorkommen

Eine weitere wichtige Erkenntnis der Arbeit war, dass nicht-diffusive Chemie – also chemische Reaktionen, bei denen die Moleküle nicht über die Eisoberfläche wandern müssen – entscheidend ist, um viele der experimentell beobachteten schwefelhaltigen Verbindungen nachzubilden. „Es ist klar, dass herkömmliche Modelle, bei denen die Reaktivität durch die Diffusion der Reaktionpartner auf dem Eis begrenzt ist, die experimentellen Ergebnisse einfach nicht reproduzieren können“, sagt Wiebke Riedel, Postdoktorandin und frischgebackene CAS-Absolventin, die die Implementierung der nicht-diffusiven Chemie in pyRate entwickelt hat.

Die Arbeit stellt den ersten Versuch dar, ein komplexes, aus mehreren Komponenten bestehendes interstellares Eisexperiment mithilfe eines astrochemischen Codes auf Basis von Geschwindigkeitsgleichungen zu modellieren. Durch die Kombination experimenteller und theoretischer Ansätze bietet die Studie einen neuen Rahmen für die Erforschung der Speicherung und Umwandlung von Schwefel im Weltraum – eine Frage, die eng mit der Chemie verbunden ist, welche die Entstehung von Planetensystemen prägt und letztlich die für das Leben verfügbaren Bausteine bestimmt.