Fliegendes Teleskop weist Heliumhydrid-Ion im All nach

Das Heliumhydrid-Ion ist HeH+ ist ein Rätsel an sich. Helium verbindet sich als Edelgas sehr ungern überhaupt mit anderen Elementen. Doch in der Frühzeit des Universums war die Auswahl noch weitaus geringer als heute: Es existierten nur Wasserstoff (H), Helium (He) und Spuren von Lithium, und zwar in ionisierter Form, also ohne Elektronen, die die Grundlage für chemische Bindungen bilden. Das Universum musste sich deshalb nach dem Urknall erst einmal ungefähr 300.000 Jahre lang abkühlen.

Bei einer Temperatur von etwa 3700 Grad Celsius rekombinierten sich die vorhandenen Atomkerne wieder mit freien Elektronen und erzeugten so die ersten neutralen Atome. Der Prozess begann den gängigen Modellen zufolge mit Helium. Wasserstoff lag zu diesem Zeitpunkt noch ionisiert vor, sodass sich Heliumatome mit den freien Protonen zum Heliumhydrid-Ion HeH+ verbinden konnten, das dadurch zur ersten molekularen Verbindung im Universum wurde. Später reagierte HeH+ dann mit den nun vorhandenen neutralen Wasserstoffatomen, woraus molekularer Wasserstoff und Helium enstanden.

So stellt sich die Wissenschaft den chemischen Beginn unseres Universums schon länger vor. Allerdings gab es da ein Problem: das HeH+-Ion konnte man zwar im Labor herstellen, im All, wo es ebenfalls vorhanden sein müsste, war es jedoch nicht zu finden. Das Molekül strahlt am stärksten in einer Spektrallinie bei einer charakteristischen Wellenlänge von 0,149 mm (entsprechend einer Frequenz von 2,01 Terahertz). Die Erdatmosphäre jedoch ist in diesem Wellenlängenbereich komplett undurchlässig. Das war die Chance für das auf einem umgebauten Jumbojet installierte und von DLR und NASA betriebene SOFIA-Teleskop. Mit dem neuen GREAT-Instrument (German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) konnte es aus einer Flughöhe von 13 bis 14 Kilometern das lang gesuchte Molekül nun identifizieren.

„Im vergangenen Jahrzehnt setzte man große Hoffnungen in die Weltraumobservatorien ‚Spitzer‘ (NASA, gestartet 2003) und ‚Herschel‘ (ESA, gestartet 2009), aber keines der Teleskope war in der Lage, dieses Molekül zu detektieren. Mit SOFIA haben wir den Nachweis erbracht, dass dieses Molekül sich tatsächlich in Planetarischen Nebeln bilden kann. Derzeit gibt es kein anderes Teleskop, welches in diesen Wellenlängen beobachten kann. Das macht diese Beobachtungsplattform noch für viele Jahre einzigartig“, freut sich Anke Pagels-Kerp, Abteilungsleiterin Extraterrestrik im DLR Raumfahrtmanagement in Bonn.

Spektrum des Heliumhydrid-Ions HeH+, beobachtet mit dem GREAT-Instrument an Bord des Flugzeug-Observatoriums SOFIA in Richtung des Planetarischen Nebels NGC 7027. Das Hintergrundbild von NGC 7027 wurde mit der NICMOS-Kamera von Hubble erzeugt; darin ist die scharfe Übergangsregion zwischen heißem ionisiertem Gas (weißlich-gelb) und der kühleren Hülle (in rot) deutlich sichtbar. Genau in dieser Übergangszone entsteht HeH+ (durch Molekülsymbole in künstlerischer Darstellung markiert). (Komposition: NIESYTO design; Bild NGC 7027: William B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) und NASA/ESA; Spektrum: Rolf Güsten/MPIfR, Nature, 18. April 2019.)
SOFIA an Bord der modifizierten Boeing 747SP (Bild: NASA)
Das Ferninfrarot-Spektrometer GREAT ist innerhalb der Druckkabine im Flugzeugobservatorium SOFIA montiert. (Bild: Carlos Duran/MPIfR)

 

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