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Erster Nachweis von Methylalkohol in einer Staubscheibe

15.06.2016

In der protoplanetaren Scheibe um TW Hydrae konnte erstmals das organische Molekül Methylalkohol (Methanol) nachgewiesen werden. Hierbei handelt es sich um die erste Entdeckung einer solchen Verbindung in einer noch jungen Scheibe, in der sich gerade Planeten bilden. Methanol ist das einzige komplexe organische Molekül, das bisher in Staubscheiben entdeckt wurde und eindeutig aus einer festen Phase stammt. Der Nachweis hilft Astronomen, die chemischen Prozesse zu verstehen, die während der Entstehung von Planetensystemen stattfinden und die letztlich zur Bildung der Bestandteile des Lebens führen. Möglich war der Nachweis des Moleküls mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA).

Mit einer Entfernung von nur etwa 170 Lichtjahren ist die protoplanetare Scheibe um den jungen Stern TW Hydrae die zur Erde nächstgelegene Staubscheibe, in der Planetenentstehung stattfindet. Für Astronomen stellt sie deshalb ein ideales Ziel für die Untersuchung solcher Staubscheiben dar. Astronomen gehen davon aus, dass das Sonnensystem während seiner Entstehung vor mehr als vier Milliarden Jahren diesem System sehr ähnlich war.


Diese künstlerische Darstellung zeigt die uns nächste bekannte protoplanetare Scheibe um den Stern TW Hydrae im großen Sternbild Wasserschlange (lat. Hydra). Das organische Molekül Methylalkohol (Methanol) konnte mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in dieser Staubscheibe nachgewiesen werden. Hierbei handelt es sich um die erste Entdeckung einer solchen Verbindung in einer jungen Scheibe, in der Planeten entstehen.

Herkunftsnachweis: ESO/M. Kornmesser

Das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) ist im Moment das leistungsstärkste Observatorium für die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung und  Verteilung kalten Gases in nahen Staubscheiben. Diese Tatsache wurden nun von einem Astronomenteam unter der Führung von Catherine Walsh von der Sterrewacht Leiden in den Niederlanden genutzt, um die chemischen Eigenschaften der planetaren Scheiben von TW Hydrae zu erforschen.

In den ALMA-Beobachtungen konnten nun zum ersten Mal Spuren gasförmigen Methylalkohols, auch Methanol (CH3OH) genannt, in einer protoplanetaren Scheibe nachgewiesen werden. Bei Methanol, einem Derivat von Methan, handelt es sich um das größte komplexe organische Molekül, das bis heute in solchen Staubscheiben gefunden wurde. Der Nachweis der Existenz in präplanetaren Objekten stellt einen Meilenstein für das Verständnis dar, wie organische Moleküle auf Planeten gelangen, die sich gerade erst bilden.

Desweiteren ist Methanol selbst ein Baustein für komplexere Stoffe wie Aminosäureverbindungen und damit von grundlegender präbiotischer Bedeutung. Infolgedessen spielt Methanol eine entscheidende Rolle in den chemischen Voraussetzungen, die notwendig sind, damit organisches Leben entstehen kann.

Catherine Walsh, Erstautorin der Studie, erläutert: “Die Entdeckung von Methanol in einer protoplanetaren Scheibe unterstreicht die besondere Bedeutung von ALMA bei der Untersuchung komplexer organischer Eisvorkommen in Staubscheiben. Zum ersten Mal ist es uns nun möglich, zu dem Punkt zurückzublicken, an dem die chemische Komplexität während der Planetenentstehung um einen sonnenähnlichen Stern ihren Anfang nimmt.“

In der Astrochemie spielt gasförmiges Methanol in protoplanetaren Scheiben eine besonders wichtige Rolle. Während andere Stoffe, die im Weltraum entdeckt wurden, allein durch Gasphasenchemie oder durch eine Kombination von Gas- und fester Phase entstehen, handelt es sich bei Methanol um eine komplexe organische Verbindung, die ausschließlich durch Oberflächenreaktionen auf Staubkörnern in der festen Phase entstehen.

Die scharfen Aufnahmen von ALMA haben es den Astronomen ermöglicht, das Vorkommen gasförmigen Methanols quer durch die Staubscheibe von TW Hydrae zu entschlüsseln. Sie entdeckten außer einer signifikanten Emission aus der näheren Umgebung des Zentralsterns ein ringförmiges Muster [1].

Die Beobachtung von Methanol in der gasförmigen Phase in Kombination mit Informationen über seine Verteilung bedeutet, dass sich Methanol auf den Eiskörnern der Staubscheibe gebildet hat und anschließend in gasförmigem Zustand freigesetzt wurde. Diese erste Beobachtung hilft, das Rätsel des Übergangs von der festen in die gasförmige Phase zu lösen [2] und die chemischen Prozesse in astrophysikalischen Umgebungen allgemeiner zu verstehen [3].

Ryan A. Loomis, ein Koautor der Arbeit, fügt hinzu: “Das Vorkommen von Methanol in gasförmigem Aggregatszustand in der Staubscheibe ist ein eindeutiger Hinweis auf zahlreiche organische chemische Prozesse in einer frühen Phase der Stern- und Planetenentstehung. Dieses Ergebnis hat eine Auswirkung auf unser Verständnis, wie sich organische Materie in sehr jungen Planetensystems ansammelt.“

Dieser erfolgreiche erste Nachweis kalten gasförmigen Methanols in einer protoplanetaren Scheibe bedeutet, dass nun die Chemie bei der Bildung von Eis in Scheiben erforscht werden kann, was den Weg für zukünftige Untersuchungen komplexer organischer Chemie in planetaren Geburtsstätten ebnet. Bei der Jagd nach Exoplaneten, auf denen Leben möglich ist, haben Astronomen nun Zugang zu einem leistungsfähigen Instrument.

Endnoten

[1] In den ALMA-Daten ist ein Ring aus Methanol zu beobachten, der sich zwischen 30 und 100 Astronomischen Einheiten (AE) um den Stern erstreckt. Die identifizierten Strukturen unterstützen die Hypothese, dass sich der Großteil des Eisvorkommens in der Scheibe hauptsächlich auf den größeren Staubkörnern (bis zu einer Größe im Millimeter-Bereich)  befindet, die vom Gas entkoppelt wurden, nach innen in Richtung des Sterns gewandert sind und sich nun in den inneren 50 AE befinden.

[2] In dieser Arbeit befürwortet und diskutiert das Team andere Mechanismen als die thermische Desorption (bei der Methanol bei Temperaturen frei wird, die über der Sublimationstemperatur liegen), einschließlich der Photodesorption durch ultraviolette Photonen und reaktiver Desorption. Detailliertere ALMA-Beobachtungen würden es ermöglichen, dass eins dieser Szenarien zweifellos bevorzugt werden kann.

[3] Radiale Schwankungen chemischer Stoffe in der Zusammensetzung der Mittelebene der Scheibe und besonders die Lage der Schneegrenze sind entscheidend für das Verständnis der Chemie gerade geborener Planeten. Die Schneegrenze kennzeichnet die Grenze, jenseits derer ein bestimmter flüchtiger chemischer Stoff auf Staubkörnern gefriert. Der Nachweis von Methanol in den kälteren Außenbereichen der Staubscheibe zeigt, dass es imstande ist, bei Temperaturen, die deutlich unter der Sublimationstemperatur liegen, aus den Körnern zu entweichen, was notwendig ist, um thermische Desorption auszulösen.

Weitere Informationen

Die hier vorgestellten Ergebnisse sind Inhalt des Fachartikels „First detection of gas-phase methanol in a protoplanetary disk“ von Catherine Walsh et al., der in der Zeitschrift Astrophysical Journal, Band 823, Nummer 1, erschienen ist.

Die beteiligten Wissenschaftler sind Catherine Walsh (Sterrewacht Leiden, Universiteit Leiden, Niederlande), Ryan A. Loomis (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), Karin I. Öberg (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), Mihkel Kama (Sterrewacht Leiden), Merel L. R. van't Hoff (Sterrewacht Leiden), Tom J. Millar (School of Mathematics and Physics, Queen’s University Belfast, Großbritannien), Yuri Aikawa (Center for Computational Sciences, University of Tsukuba, Tsukuba, Japan), Eric Herbst (Departments of Chemistry and Astronomy, University of Virginia, Charlottesville, Virginia, USA), Susanna L. Widicus Weaver (Department of Chemistry, Emory University, Atlanta, Georgia, USA) und Hideko Nomura (Department of Earth and Planetary Science, Tokyo Institute of Technology, Tokio, Japan).

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von der ESO, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) der USA und den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Republik Chile betrieben wird. Getragen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsländer, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC), dem taiwanesischen National Science Council (NSC) und NINS in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan sowie dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch 16 Länder: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist einer der Hauptpartner bei ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das European Extremely Large Telescope (E-ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1619.

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