SOFIA weist Heliumhydrid in planetarischem Nebel nach

Illustration des planetarischen Nebels NGC 7027 mit Heliumhydrid-Molekülen, eine Kombination aus Helium (rot) und Wasserstoff (blau). (Credits: NASA / SOFIA / L. Proudfit / D. Rutter)
Illustration des planetarischen Nebels NGC 7027 mit Heliumhydrid-Molekülen, eine Kombination aus Helium (rot) und Wasserstoff (blau). (Credits: NASA / SOFIA / L. Proudfit / D. Rutter)

Der erste Molekültyp, der sich im Universum bildete, wurde nach jahrzehntelanger Suche erstmals im Weltraum nachgewiesen. Wissenschaftler entdeckten dessen Signatur in unserer eigenen Galaxie mit Hilfe des größten fliegenden Observatoriums der Welt, dem Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA), als es hoch über der Erdoberfläche flog und seine empfindlichen Instrumente ins Weltall richtete.

Als das Universum noch sehr jung war, existierten nur ein paar Arten von Atomen. Wissenschaftler vermuten, dass sich Helium und Wasserstoff etwa 100.000 Jahre nach dem Urknall verbanden, um erstmals ein Molekül namens Heliumhydrid zu bilden. Heliumhydrid sollte in einigen Regionen des heutigen Universums vorhanden sein, aber wurde noch nicht im Weltraum nachgewiesen – bis jetzt.

SOFIA fand Heliumhydrid in einem planetarischen Nebel, dem Überrest eines sonnenähnlichen Sterns. Rund 3.000 Lichtjahre entfernt in Richtung des Sternbildes Cygnus (Schwan) gelegen, weist dieser planetarische Nebel namens NGC 7027 Bedingungen auf, die die Bildung dieses rätselhaften Moleküls erlauben. Die Entdeckung dient als Beleg dafür, dass Heliumhydrid tatsächlich im Weltraum existieren kann. Das bestätigt einen wichtigen Teil unseres grundlegenden Verständnisses der Chemie im frühen Universum und wie es im Laufe von Milliarden Jahren seine heutige komplexe Chemie entwickelte. Die Ergebnisse werden in der dieswöchigen Ausgabe des Journals Nature veröffentlicht.

“Dieses Molekül lauerte dort draußen, aber wir brauchten die richtigen Instrumente, die Beobachtungen am richtigen Ort durchführten – und SOFIA konnte das in perfekter Weise tun”, sagte Harold Yorke, der Direktor des SOFIA Science Center im kalifornischen Silicon Valley.

Heute umfasst das Universum große, komplexe Strukturen wie Planeten, Sternen und Galaxien. Aber vor mehr als 13 Milliarden Jahren, kurz nach dem Urknall, war das Universum heiß und alles, was existierte, waren ein paar Atomarten, hauptsächlich Wasserstoff und Helium. Als sich die Atome verbanden, um die ersten Moleküle zu bilden, konnte sich das Universum endlich abkühlen und anfangen, Gestalt anzunehmen. Wissenschaftler haben abgeleitet, dass Heliumhydrid dieses erste primordiale Molekül war.

Als die Abkühlung erst einmal begann, konnten die Wasserstoffatome mit dem Heliumhydrid interagieren, was zur Entstehung von molekularem Wasserstoff führte – dem Molekül, das für die Entstehung der ersten Sterne hauptverantwortlich war. Dann fusionierten die Sterne all die Elemente, aus denen unser vielfältiger, chemischer Kosmos heute besteht. Das Problem war jedoch, dass Wissenschaftler kein Heliumhydrid im Weltraum finden konnten. Dieser erste Schritt bei der Geburt der chemischen Entwicklung war bis jetzt unbelegt.

“Der Mangel an Belegen für die Existenz von Heliumhydrid im interstellaren Weltraum war Jahrzehnte lang ein Dilemma für die Astronomie”, sagte Rolf Güsten vom Max-Planck-Institute für Radioastronomie in Bonn (Deutschland), der Hauptautor der Studie.

Heliumhydrid ist ein heikles Molekül. Helium selbst ist ein Edelgas, weshalb es sehr reaktionsträge ist. Aber im Jahr 1925 konnten Wissenschaftler das Molekül im Labor erschaffen.

Dann, in den späten 1970er Jahren, untersuchten Wissenschaftler den planetarischen Nebel NGC 7027 und vermuteten, dass diese Umgebung genau richtig sein könnte, um Heliumhydrid zu bilden. Ultraviolette Strahlung und Hitze des alternden Sterns schaffen Bedingungen, die günstig für die Bildung von Heliumhydrid sind.

Aber ihre Beobachtungen waren nicht schlüssig. Nachfolgende Untersuchungen deuteten darauf hin, dass es dort sein könnte, aber das rätselhafte Molekül entzog sich weiterhin dem Nachweis. Die Weltraumteleskope hatten nicht die spezielle Technologie, um das Signal von Heliumhydrid aus der Vielzahl anderer Moleküle in dem Nebel herauszufiltern.

Im Jahr 2016 wandten sich die Wissenschaftler an SOFIA. SOFIA fliegt in einer Höhe von rund 13,7 Kilometern und macht Beobachtungen oberhalb der störenden Schichten der Erdatmosphäre. Aber es hat auch einen Vorteil, den Weltraumteleskope nicht haben: Es kehrt nach jedem Flug zurück.

“Wir waren in der Lage, die Instrumente zu wechseln und die neueste Technologie zu installieren”, sagte der stellvertretende SOFIA-Projektwissenschaftler Naseem Rangwala. “Diese Flexibilität erlaubt uns, die Beobachtungen zu verbessern und auf die drängendsten Fragen zu reagieren, welche die Wissenschaftler beantwortet haben möchten.”

Eine kürzliche Verbesserung an einem von SOFIAs Instrumenten, dem German Receiver at Terahertz Frequencies (GREAT), ergänzte das spezielle Band für Heliumhydrid, das frühere Teleskope nicht hatten. Das Instrument arbeitet wie ein Radioempfänger. Wissenschaftler stimmen die Frequenz auf die Frequenz des Moleküls ab, nach dem sie suchen, ähnlich wie die Einstellung des richtigen Senders an einem Radio. Als SOFIA durch die Nacht flog, waren eifrige Forscher an Bord, die die Daten des Instruments in Echtzeit auslasen. Das Signal von Heliumhydrid drang endlich laut und deutlich durch.

“Es war so aufregend, dort zu sein und das Heliumhydrid-Signal erstmals in den Daten zu sehen”, sagte Güsten. “Das verhilft einer langen Suche zu einem guten Ende und eliminiert Zweifel an unserem Verständnis der zugrunde liegenden Chemie des frühen Universums.”

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Video-Link: https://youtu.be/rRVpyiXvV9g

SOFIA ist eine modifizierte Boeing 747SP mit einem 2,7-Meter-Teleskop. Es ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Das Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley leitet das SOFIA-Programm, sowie die wissenschaftlichen und missionsspezifischen Operationen in Zusammenarbeit mit der Universities Space Research Association (USRA) mit Sitz in Columbia (Maryland) und dem Deutschen SOFIA Institute (DSI) an der Universität Stuttgart. Das Flugzeug ist am Hangar 703 des Armstrong Flight Research Center der NASA in Palmdale (Kalifornien) stationiert.

Quelle

(THK)

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