Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie ein Molekül aus dem Rotieren kommt

18.03.2016

Das im Weltraum häufige Molekülion CH+ wurde erstmals unter interstellaren Bedingungen im neuen ultrakalten Speicherring (Cryogenic Storage Ring, CSR) des Heidelberger MPI für Kernphysik untersucht. Im Ring lassen sich Umgebungstemperaturen unterhalb von 10 K realisieren. Gemessen wurde die Aufspaltung von CH+ in C+ und H durch ultraviolettes Licht bei einer Energie nahe der Reaktionsschwelle. Der experimentelle Befund wird durch theoretische Rechnungen sehr gut reproduziert und erlaubt, die zeitabhängige Besetzung der einzelnen Rotationszustände zu ermitteln. Damit wurde das Potential des CSR für kontrollierte Experimente mit kalten Molekülionen erfolgreich demonstriert.

Die organische Chemie interstellarer Molekülwolken ist eines der spannendsten Forschungsgebiete der Astronomie, da viele Beobachtungen noch Rätsel aufgeben und die Entstehung des Lebens auf der Erde möglicherweise eng mit der Bildung biologisch relevanter Moleküle im Weltraum verknüpft ist.


Überlagerung des im CSR gespeicherten CH+-Molekülionenstrahls (gelb) mit einem UV-Laser (blau). Die neutralen H-Atome aus der Photodissoziation geradeaus mit einem Detektor nachgewiesen.

Grafik: MPIK für Kernphysik


Relative Besetzung der drei untersten Rotationszustände von CH+ in Abhängigkeit von der Speicherzeit im CSR. Die gemessenen Daten lassen sich am besten mit einer Temperatur von etwa 20 K modellieren.

Grafik: MPIK für Kernphysik

Diese Prozesse spielen sich viele Lichtjahre entfernt ab und entziehen sich damit einer kontrollierten Untersuchung. Deshalb sind Astrophysiker auf deren theoretische Modellierung angewiesen. Das Bindeglied stellt die Laborastrophysik dar, welche es erlaubt, Reaktionen der vorgefundenen Spezies im Labor unter Weltraumbedingungen nachzustellen. Die so gewonnenen Resultate lassen sich mit den astronomischen Beobachtungen vergleichen und erlauben einen direkten Test der theoretischen Beschreibung.

Weltraum im Labor

Zur Untersuchung von kosmischen Molekülionen steht am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) seit kurzem der neue ultrakalte Speicherring CSR (Cryogenic Storage Ring) zur Verfügung. Diese weltweit größte Anlage ihrer Art mit einem Umfang von 35 m lässt sich auf eine Temperatur von ca. –265 °C, also wenige Grad über den absoluten Nullpunkt abkühlen und im Inneren ein extremes Ultrahochvakuum von weniger als 10–13 mbar realisieren, das ist um das Zehn-Billiardenfache geringer als der normale Luftdruck.

Damit werden die Bedingungen interstellarer Wolken (niedrige Temperatur, sehr geringe Dichte) erreicht, und das sehr gute Vakuum ermöglicht es, die Ionen mit geringen Verlusten durch Stöße mit Restgasmolekülen über längere Zeit bis zu mehreren Stunden zu speichern.

Zu den wichtigsten Prozessen in interstellaren Wolken zählen sowohl Kollisionen von Molekülen bzw. Molekülionen untereinander als auch mit freien Elektronen sowie die Wechselwirkung mit ultraviolettem (UV) Licht, das von benachbarten Sternen ausgestrahlt wird.

Um diese im Detail zu studieren, ist der CSR mit einer entsprechenden Instrumentierung ausgerüstet. In einer ersten Publikation zu einem CSR-Experiment berichten Physiker der CSR-Kollaboration nun über das Zerbrechen des Molekülions CH+ durch UV-Licht.

Das erste kosmische Molekülion

CH+ war das erste kosmische Molekülion, das 1941 spektroskopisch identifiziert wurde. Es besteht aus einem Kohlenstoff- und einem Wasserstoffatom, wobei aber ein Elektron fehlt. Das recht häufige Vorkommen von CH+ im diffusen interstellaren Medium ist dabei bis heute rätselhaft: Eigentlich sollte es durch Kollisionen mit Wasserstoff rasch zerstört werden, und es ist unbekannt, wie es in einer so kalten Umgebung effizient neu gebildet wird. Ein Puzzleteil ist die Photodissoziation von CH+, wobei das Molekül nach Absorption eines UV-Lichtquants in ein einfach geladenes Kohlenstoffion (C+) und ein neutrales Wasserstoffatom (H) aufbricht.

Hierzu wird auf einer geraden Strecke im Speicherring der Ionenstrahl in spitzem Winkel mit einem UV-Laserstrahl überlagert. Zum Nachweis dienen die in der Reaktion freigesetzten H-Atome. In der nächsten Kurve des Rings, wo die Ionen elektrisch abgelenkt werden, fliegen sie geradeaus auf einen Detektor. „Wir haben die Zahl der H-Atome in Abhängigkeit von der Energie des UV-Lichts und der Speicherzeit gemessen“, erläutert Aodh O'Connor, Postdoc in der ASTROLAB-Gruppe um Holger Kreckel am MPIK.

„Besonders interessant ist der Bereich der Dissoziationsschwelle, also der minimalen Energie, die zum Aufbruch der chemischen Bindung benötigt wird. Steckt im Molekül noch Rotationsenergie, so ist die Schwelle um diesen Betrag abgesenkt, und wir können verfolgen, wie das anfänglich heiße und heftig rotierende CH+ im Ring abkühlt.“ Nach etwa einer Minute Speicherzeit sind nur noch die beiden niedrigsten Rotationszustände besetzt und nach vier Minuten rotieren 60% der Moleküle gar nicht mehr. Dies entspricht einer Temperatur von etwa 20 Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Den molekularen Kühlvorgang verfolgt

Unterstützt wurde die Auswertung durch theoretische Rechnungen zur Photodissoziation nahe der Schwelle, die von Ulrich Hechtfischer durchgeführt wurden. Die Wahrscheinlichkeit für den photochemischen Aufbruch ist hier bei bestimmten Energien durch Resonanzen deutlich erhöht und hängt empfindlich von der Struktur der Elektronenhülle des Moleküls ab.

Die Rechnungen wurden für die einzelnen Rotationszustände durchgeführt und stimmen mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein. Dies erlaubt nicht nur, den Kühlvorgang des Moleküls zu verfolgen, sondern liefert auch ein besseres Verständnis der Struktur von CH+. Dies kann relevant sein für verbesserte Rechnungen zum umgekehrten Prozess der radiativen Assoziation von C+ und H zu CH+ und Aussendung eines UV-Quants – ein möglicher Mechanismus zur Bildung von CH+ bei interstelleren Temperaturen.

„Unser Experiment zeigt, dass sich mit dem CSR molekulare Reaktionen unter Weltraumbedingungen untersuchen lassen“, sagt Holger Kreckel mit Blick auf das Potential dieses neuen Großgeräts für zukünftige Studien. Hierzu zählt der Einfang von Elektronen in Mokekülionen, wozu momentan ein neues Elektronentarget in den Ring eingebaut wird. Ein weiteres Thema sind Stöße von geladenen Molekülionen und neutralen Atomen. Diese spielen eine große Rolle in der interstellaren Chemie, sind aber experimentell noch wenig untersucht.

Originalpublikation:

Photodissociation of an internally cold beam of CH+ ions in a cryogenic storage ring
A.P. O'Connor et al.
Physical Review Letters 116, 113002, 17. März 2016; DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.113002

Kontakt:

Dr. Aodh O’Connor
Tel: +49 6221 516 425
E-Mail: aodh.oconnor@mpi-hd.mpg.de

Dr. Holger Kreckel
Tel.: +49 6221 516 517
E-Mail: holger.kreckel@mpi-hd.mpg.de

Prof. Dr. Andreas Wolf
Tel.: +49 6221 516 503
E-Mail: andreas.wolf@mpi-hd.mpg.de

Weitere Informationen:

https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/astrolab/astrolab-home/ Gruppe „Kalte Kollisionen und Wege zum Leben im interstellaren Raum“ (ASTROLAB) am MPIK
https://www.mpi-hd.mpg.de/blaum/ Abteilung „Gespeicherte und gekühlte Ionen“ am MPIK
https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/aktuelles/meldung/detail/tiefkalte-molekuele-auf-d... „Tiefkalte Moleküle auf der Umlaufbahn“ (MPIK-Presseinformation vom 20.05.2015)

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise