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Moleküljäger im Universum

30.04.2013
HIFI (Heterodyne Instrument for the Far-Infrared) hat ein neues Fenster zur Erforschung des Weltalls geöffnet

Nach gut 3,5 Jahren ist das flüssige Helium als Kühlmittel an Bord des europäischen Weltraum-Observatoriums Herschel endgültig aufgebraucht. Das bedeutet, dass der Moleküljäger HIFI, eines der drei Instrumente von Herschel, keine weiteren Spektren von Himmelsobjekten mehr aufnehmen kann.

Aber die wissenschaftliche Ausbeute ist sehr beeindruckend. Durch HIFI können die Forscher den kosmischen Lebenszyklus des Gases, das zur Bildung von Sternen und von Planeten führt, wesentlich besser verstehen, sowie auch die Rolle der (Wasser-) Moleküle in diesem Zyklus. Unsere Milchstraße besteht keineswegs nur aus Sternen. Der Raum zwischen den für uns sichtbaren Sternen – entweder als Einzelsterne oder im Schein des Bandes der Milchstraße am Himmel – ist angefüllt mit Wolken von Gas und Staub. In diesen Überresten vergangener Generationen von Sternen bilden sich neue Sterne und auch Planeten.

Das sind Sterne wie unsere Sonne und Planeten, wie wir sie in unserem Sonnensystem vorfinden. Durch all die Informationen, die sich in den mit HIFI gemessenen Spektrallinien verbergen, können wir nun die Details des kosmischen Kreislaufs von Gas und Staub wesentlich besser verstehen. HIFI hat eine Vielzahl einzigartiger Informationen aus sehr unterschiedlichen kosmischen Milieus zusammengetragen – von den ausgedehnten Hüllen um sterbende Sterne bis zu Kernbereichen ferner Galaxien sowie Kometen. Der Moleküljäger war dazu in der Lage durch eine unschlagbare Kombination von nicht gestörter spektraler Abdeckung, hoher spektraler Auflösung und genauer Kalibration der Daten. Es kann sein, dass eine solche Kombination für die nächsten 40 Jahre nicht mehr für die Erforschung des Weltraums zur Verfügung steht.

Die Spur des Wassers
“Die Untersuchung des Wassermoleküls ist eines der wichtigsten Ziele für HIFI, wegen seines reichhaltigen Spektrums und weitverbreiteten Vorkommens, aber auch weil es eine so bedeutende Rolle bei der Entstehung von Sternen spielt“, sagt Frank Helmich vom niederländischen SRON-Institut, der Projektleiter für HIFI. „Wegen der Absorption durch den hohen Wasserdampfgehalts in unserer Erdatmosphäre stellen die mit HIFI im Weltraum gemessenen Daten ein Vermächtnis für die nächsten Jahrzehnte dar.“
Beobachtungen des Wassermoleküls ermöglichen die Erforschung einer neuen Art von Stoßwellen, wie sie bei Materieausflüssen im Zuge der Sternentstehung auftreten. Dieses Molekül dient ebenfalls zum Nachweis von Materie, die in den allerersten Stadien der Sternentstehung auf den Stern fließt und zur Erforschung des Wasservorrats in den äußeren Regionen von planetenformenden Scheiben, wobei dieses Wasser aus Eis freigesetzt wird, und zwar durch ein schwaches UV-Strahlungsfeld, das wiederum durch kosmische Strahlung erzeugt wird. Insgesamt führen diese Untersuchungen zur Erstellung einer kompletten Spur des Wassers – von kollabierenden Wolken bis zu fertigen Planetensystemen.

Erforschung des Sonnensystems
Ein riesiger Gasring aus Wasserdampf wurde entdeckt, der Saturn umschließt und offenbar durch Kryovulkanismus des Mondes Enceladus gespeist wird. Er stellt die lange gesuchte Quelle des stratosphärischen Wasserdampfes von Saturn und seinem größten Mond Titan dar.

Messungen mit HIFI haben erstmals gezeigt, dass es Kometen gibt, deren Wasser die gleiche isotopische Zusammensetzung wie unser irdisches Wasser. „Dieses wegweisende Resultat hat eine Menge zum derzeitigen Paradigmenwechsel in Bezug auf Entstehung und Entwicklung unseres Sonnensystems beigetragen“, sagt Paul Hartogh vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

Moleküle in Kohlenmonoxid-Dunkelwolken
Mit HIFI wurden Hydrid-Moleküle erforscht; das sind wichtige chemische Bausteine, die durch Beobachtungen vom Erdboden aus überhaupt nicht erfasst werden können. Anzahl und relative Häufigkeit der gefundenen Moleküle stellten eine große Überraschung dar. Moleküle wie ionisiertes Wasser (H2O+) und OH+ treten entgegen allen Erwartungen sehr viel häufiger auf als protoniertes Wasser (H3O+). „Die HIFI-Beobachtungen haben unser Wissen über das interstellare Medium in der Tat revolutioninert“, sagt Volker Ossenkopf von der Universität zu Köln, Co-Investigator des HIFI-Projekts. „Beim Start von Herschel hätten wir uns nicht im Traum vorstellen können, dass HIFI uns zu völlig neuen Erkenntnissen über den Ablauf der chemischen Prozesse dort führen könnte.“

Die kosmische Strahlung wurde von HIFI nicht nur über ihre Wirkung auf interstellares Gas nachgewiesen. Die Beobachtungen mussten einige Male nach dem Einschlag hochenergetischer Teilchen in die Elektronik von HIFI unterbrochen werden (lokale kosmische Strahlung). Aber das System konnte dann jedes Mal erfolgreich neu gestartet werden.

Spektrale Durchmusterungen
Neben der Untersuchung von bestimmten Molekülen zeichnet sich HIFI auch durch die Fähigkeit zu kompletten spektralen Abtastungen in größeren Wellenlängenbereichen aus. In einem solchen Spektrum findet man Zehntausende von einzelnen Spektrallinien, die bis zu 50 verschiedenen Molekülsorten zugeordnet werden können. Die Entstehung dieser Moleküle findet in interstellaren Gaswolken mit einem hohen Gehalt von Wasser und organischen, also Kohlenstoff-basierten Molekülen statt. Diese Beobachtungen lassen mit beispielloser Genauigkeit auf die chemische Zusammensetzung von sternbildenden Gaswolken schließen. Sie ermöglichen die Untersuchung der physikalischen Abläufe im Gas anhand von Hunderten bis Tausenden von Linien eines einzigen Moleküls.

„Wir haben vorher schon spektrale Durchmusterungen dieser Art mit bodengebundenen Teleskopen durchgeführt, aber erst die Ergebnisse mit HIFI haben uns wirklich die Augen für die Vielfalt und Komplexität geöffnet“, sagt Peter Schilke von der Universität zu Köln, der an zwei der Schlüsselprogramme mit HIFI beteiligt ist. „Die hohe Empfindlichkeit und exzellente Datenqualität, dazu der erstmalige Zugang zu den hohen Frequenzen im Terahertz-Bereich, machen HIFI einmalig. Die komplette Analyse dieser Daten wird uns noch viele Jahre beschäftigen.“

„Mit HIFI konnten wir eine Menge von Details zur physikalischen und chemischen Zusammensetzung des interstellaren Mediums aufklären, die vorher nicht für astronomische Beobachtungen zugänglich waren“, sagt Jürgen Stutzki von der Submillimeterastronomie-Gruppe an der Universität zu Köln; er ist Co-Projektleiter von HIFI.

"Es kommt ganz selten vor, dass man einen völlig neuen Wellenlängenbereich wissenschaftlich erschließen kann und dabei auch noch großartige Überraschungen erlebt. Dafür hat HIFI reichlich gesorgt”, so das Fazit von Karl Menten vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn. Die Submillimeterastronomie-Gruppen an der Universität zu Köln und am MPIfR haben einen Schlüsselbeitrag zum HIFI-Instrument und somit zum Erfolg der Mission geliefert.

Konsortien
Herschel ist ein Weltraum-Observatorium der Europäischen Raumfahrt-Agentur (ESA) mit Wissenschafts-Instrumenten, die von großen Konsortien unter europäischer Projektleitung mit wichtigen Beiträgen vom der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA aufgebaut wurden. Das „Heterodyne Instrument for the Far-Infrared“ wurde von einem Konsortium unter der Leitung von SRON, dem niederländischen Institut für Weltraumforschung entwickelt und gebaut, mit wichtigen Beiträgen von einer Reihe von deutschen Instituten, der Universität zu Köln und den beiden Max-Planck-Instituten für Radioastronomie (Bonn) und für Sonnensystemforschung (Katlenburg-Lindau).

Bei Rückfragen: Prof. Dr. Peter Schilke,
I. Physikalisches Institut
Tel.: 0221 470 1935
Mail: schilke@ph1.uni-koeln.de

Verantwortlich: Dr. Patrick Honecker MBA – patrick.honecker@uni-koeln.de

Anneliese Odenthal | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-koeln.de

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