Laboruntersuchungen haben gezeigt, wie Kohlenstoffatome auf der Oberfläche interstellarer Eiskörner diffundieren und komplexe organische (kohlenstoffbasierte) Verbindungen bilden, die für die Aufklärung der Komplexität der kosmischen Chemie von entscheidender Bedeutung sind. Die Liste der im Weltraum entdeckten organischen Moleküle und das Verständnis ihrer Wechselwirkungen erweitern sich dank kontinuierlicher Verbesserungen direkter Beobachtungstechniken stetig. Aber auch Laborexperimente, die komplexe Prozesse aufdecken, können wichtige Hinweise liefern.
Künstlerische Darstellung der Entstehung organischer Verbindungen auf interstellarem Eis. Quelle: MasashiTsuge
Forscher der Universität Hokkaido berichten in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Tokio in Japan in der Fachzeitschrift Nature Astronomy über neue laborbasierte Erkenntnisse zur zentralen Rolle von Kohlenstoffatomen auf interstellaren Eiskörnern.
Es wird angenommen, dass einige der komplexesten organischen Moleküle im Weltraum bei extrem niedrigen Temperaturen auf den Oberflächen interstellarer Eispartikel entstehen. Es versteht sich, dass für diesen Zweck geeignete Eispartikel im Universum reichlich vorhanden sind.
Alle organischen Moleküle basieren auf einem Gerüst aus gebundenen Kohlenstoffatomen. Die meisten Kohlenstoffatome entstehen zunächst durch Kernfusionsreaktionen in Sternen und werden schließlich in den interstellaren Raum verteilt, wenn der Stern in einer Supernova-Explosion stirbt. Um jedoch komplexe organische Moleküle zu bilden, benötigen Kohlenstoffatome einen Mechanismus, um auf der Oberfläche von Eispartikeln zusammenzuklumpen, auf Partneratome zu treffen und mit ihnen chemische Bindungen einzugehen. Neue Forschungsergebnisse deuten auf einen möglichen Mechanismus hin.
Oberhalb von 30 Kelvin (minus 243 Grad Celsius / minus 405,4 Grad Fahrenheit) diffundieren Kohlenstoffatome und verbinden sich zum zweiatomigen Kohlenstoff C2. Quelle: MasashiTsuge et al., Nature Astronomy. 14. September 2023
Masashi Tsuge, Chemiker am Institut für kryogene Wissenschaft der Universität Hokkaido, sagte: „In unserer Studie haben wir im Labor mögliche interstellare Bedingungen reproduziert und konnten die Diffusionsreaktion schwach gebundener Kohlenstoffatome auf der Oberfläche von Eispartikeln nachweisen und C2-Moleküle erzeugen. C2, auch als zweiatomiger Kohlenstoff bekannt, ist ein Molekül, in dem zwei Kohlenstoffatome miteinander verbunden sind; seine Bildung ist ein konkreter Beweis für das Vorhandensein diffundierter Kohlenstoffatome auf interstellaren Eispartikeln.“
Die Studie ergab, dass diese Diffusion bei Temperaturen über 30 Kelvin (minus 243 Grad Celsius / 405,4 Grad über Null Fahrenheit) stattfinden kann und im Weltraum nur 22 Kelvin (minus 251 Grad Celsius / 419,8 Grad Fahrenheit über Null) erforderlich sind, um die Diffusion von Kohlenstoffatomen zu aktivieren.
Masashi Tsuzuki (links), der Erstautor und korrespondierende Autor des Artikels, und Naoki Watanabe (rechts), der Co-Autor. Quelle: MasashiTsuge
Zhezhi sagte, die Ergebnisse fügten einen zuvor übersehenen chemischen Prozess in den Erklärungsrahmen dafür ein, wie komplexere organische Moleküle durch kontinuierliche Hinzufügung von Kohlenstoffatomen aufgebaut werden. Er glaubt, dass diese Prozesse in protoplanetaren Scheiben um Sterne stattfinden könnten, aus denen sich Planeten bilden. Die erforderlichen Bedingungen können auch in sogenannten durchscheinenden Wolken entstehen, die sich schließlich zu Sternentstehungsgebieten entwickeln. Dies könnte auch den Ursprung von Chemikalien auf der Erde erklären, die möglicherweise Leben hervorgebracht haben.
Zusätzlich zu Fragen zum Ursprung des Lebens fügt diese Forschung der Vielfalt chemischer Reaktionen, die die kohlenstoffbasierte Chemie im gesamten Universum strukturieren könnten und noch immer, einen grundlegenden neuen Prozess hinzu.
Die Autoren fassen auch das aktuelle Verständnis der Bildung komplexer organischer Chemikalien im Weltraum allgemeiner zusammen und überlegen, wie durch diffundierende Kohlenstoffatome ausgelöste Reaktionen die aktuelle Situation verändern könnten.