Astrophysik: Weltraumchemie im Labor untersucht

Untersuchungen am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY in Hamburg zeigen, dass bisherige Modellrechnungen für die Wechselwirkung von Molekülen mit energiereicher Strahlung unvollständig sind.

Supernovareste durchs Hubble-Teleskop

Mit Hilfe von Radioteleskopen und Satelliten-Missionen haben Wissenschaftler inzwischen mehr als hundert verschiedene, zum Teil komplexe Moleküle im Weltraum nachweisen können – darunter auch die Bausteine des Lebens. Doch über die chemischen Schritte, die zu diesen Molekülen führen, ist sehr wenig bekannt – nicht zuletzt weil sie in Anwesenheit sehr energiereicher Strahlung ablaufen, ähnlich wie die Prozesse in der Erdatmosphäre unter der Einwirkung von Sonnenlicht.

Im Jahr 2007 haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, des Weizmann-Instituts in Rehovot, Israel, sowie der Universität Aarhus, Dänemark, in Zusammenarbeit mit DESY in Hamburg in einem Pionierexperiment erstmals den Aufbruch von Molekülionen durch Strahlung im extremen Ultraviolett (XUV) abgebildet. Die Ergebnisse eines Experiments am Freie-Elektronen-Laser FLASH weisen nach, dass bisherige Modellvorstellungen unvollständig sind, und demonstrieren zugleich einen experimentellen Zugang zu bestimmten chemischen Prozessen im Universum.

FLASH in Hamburg

Freie-Elektronen-Laser revolutionieren die experimentellen Möglichkeiten in diesem Feld: Während die meisten Moleküle im sichtbaren Licht intakt bleiben und sich allenfalls zu höherer chemischer Aktivität anregen lassen, platzen sie unter XUV- oder Röntgenstrahlung häufig in ihre Bestandteile auf. Die Elektronen des Moleküls nehmen dabei die Energie eines Strahlungsquants auf und es entsteht ein energiereiches, instabiles Gebilde, das innerhalb kürzester Zeit zerfällt. Dabei ordnen sich die Atome neu an oder fliegen als Bruchstücke – kleinere Moleküle oder auch Atome – weg. Diese Prozesse sind von großer Bedeutung für chemische Reaktionsketten und -zyklen in interstellaren Molekülwolken und im frühen Universum, aber auch in der hohen Atmosphäre und in industriellen Plasmen.

Ziel des Experiments war es, den Aufbruch einzelner Moleküle durch die Wechselwirkung mit den intensiven Strahlungspulsen von FLASH zu beobachten und möglichst alle Bruchstücke in ihrer Bewegung und ihrem inneren Zustand zu vermessen. Hierzu brachten die Forscher Molekülionen auf hohe Geschwindigkeit. Während des schnellen Fluges wurde ihr Zerfall durch die Wechselwirkung mit der energiereichen Strahlung von FLASH ausgelöst. Die Bruchstücke flogen dann in einem engen Winkelbereich nach vorne weiter, jedes einzelne hatte dabei genug Energie, um auf Nachweisgeräten zuverlässig abgebildet zu werden.

Molekülfragmentation

In den ersten Experimenten bei FLASH wurde das Verhalten von Heliumwasserstoff-Ionen (HeH⁺) erforscht. In den Experimenten wurde untersucht, inwieweit das Auseinanderbrechen der Moleküle von der Polarisation der Strahlung abhängt, also der Richtung, in der die Strahlung schwingt.

Zerbricht das Molekül entlang der Polarisation der FLASH-Blitze, so erhält man ein langsameres und ein schnelleres Fragment, welche nacheinander auf den Detektor auftreffen. Umgekehrt werden beim Aufbruch senkrecht zur Polarisation die Fragmente praktisch zeitgleich an verschiedenen Orten auf dem Detektor nachgewiesen.

Das Ergebnis der Messungen ergab nun eine Überraschung: Die bisher theoretisch betrachteten Molekülzustände hatten für diesen Prozess einen Aufbruch entlang der Polarisation vermuten lassen. Dagegen fand die Kollaboration um die Max-Planck- Forscher überwiegend senkrecht zur Polarisation gerichtete Fragmente, was darauf hindeutet, dass bei Modellrechungen viele der wesentlichen Molekülzustände von HeH⁺ für diesen Prozess bisher nicht genug Beachtung gefunden haben und dass bereits ein einfaches System wie HeH⁺ überraschende Ergebnisse liefert.

Die Messungen bei FLASH demonstrieren eine Methode, Molekülfragmentation durch energiereiche Strahlung abzubilden. In Zukunft wollen die Forscher diese Prozesse auch bei komplexeren Molekülen untersuchen. Die so zu gewinnenden Daten sind von weitreichender Bedeutung zum Beispiel für die Frage der Synthese organischer Moleküle im interstellaren Raum und ihrer Überlebensfähigkeit in den Strahlungsfeldern dort.

„Crossed Beams Photodissociation Imaging of HeH⁺ with Vacuum Ultraviolet Free-Electron Laser Pulses“, H. B. Pedersen, S. Altevogt et al.; Physical Review Letters, DOI:10.1103/PhysRevLett.98.223202, 2007.