Molekularer Hinweis Auf Das Geheimnis Des Kosmischen Ursprungs Von Kohlenstoff Aufgedeckt

2023 Autor: Peter Bradberry | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-21 22:30

Eine in einer fernen Gaswolke gefundene Chemikalie könnte erklären, woher Planeten wie die Erde die Samen des Lebens beziehen.

Etwa 18 Prozent des menschlichen Körpergewichts besteht aus Kohlenstoff. Das einfache Element gilt als das Rückgrat des Lebens und ist auch in den Gesteinen, der Atmosphäre und den Ozeanen der Erde reichlich vorhanden. Wissenschaftler wissen nicht, wie Kohlenstoff zuerst auf unserem Planeten erschien, aber jetzt haben Astronomen ein spezielles Molekül im Weltraum entdeckt, das helfen könnte, dieses wesentliche Element bis zu seiner Quelle zurückzuverfolgen.

Forscher, die das Green Bank Telescope in West Virginia verwendeten, identifizierten Signaturen des Moleküls Benzonitril (C6H5CN) in einer Gas- und Staubmasse namens Taurus Molecular Cloud 1, die 430 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Das Herzstück von Benzonitril ist ein Sechs-Kohlenstoff-Hexagon namens Benzol - eine Struktur, die die Verbindung in die „aromatische“Klasse von Molekülen einordnet und Benzonitril zu einem Baustein für eine Gruppe namens polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) macht, die viele Kohlenstoff-Sechsecke enthalten. Wissenschaftler glauben, dass PAK im Universum unglaublich häufig sind, aber Astronomen haben kein einziges solches Molekül im Weltraum identifiziert. Diese neue Beobachtung kommt ihnen am nächsten. „Diese Studie zeigt, dass Sie die ersten Schritte von PAK, diesen ersten Benzolringen, haben“, sagt Xander Tielens, Astrochemiker an der Universität Leiden in den Niederlanden, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Dann kann man zu immer größeren Arten heranwachsen. Zu verstehen, woher diese Moleküle kommen und welche Rolle sie bei der Bestandsaufnahme des Weltraums spielen, ist ein zentrales Ziel der Astronomie. “Die Ergebnisse wurden heute in Science veröffentlicht und auf einem Treffen der American Astronomical Society in Washington, D. C., vorgestellt.

Die Studie könnte ein Schritt sein, um zu erklären, woher Planeten wie die Erde ihren Kohlenstoff haben. Das Element beginnt in den Sternenkernen, wo es ein Produkt der Kernfusion ist. Aber was passiert damit, wenn Sterne sterben und ihre Materialien in den Weltraum werfen? Wissenschaftler glauben, dass der größte Anteil - zwischen 10 und 20 Prozent - zu PAK wird, die sich bilden können, wenn ein warmes kohlenstoffhaltiges Gas abkühlt. Finden diese PAK schließlich ihren Weg in die protoplanetaren Scheiben um Sterne, die Planeten und Asteroiden bilden? "Dies ist der erste Schritt, um diese Fragen zu beantworten", sagt Ryan Fortenberry, ein Astrochemiker an der Georgia Southern University, der nicht an der Studie teilgenommen hat. „Wir brauchen Kohlenstoff, um Planeten herzustellen, Leben zu schaffen und interessante Chemie zu betreiben. Wir haben diese Hypothese darüber, wo der Kohlenstoff gebunden ist, aber wir hatten keine Möglichkeit, dies zu bestätigen. Mit [Benzonitril] können wir an den richtigen Stellen suchen. “

Wenn PAK die Zutaten für die Samen des Lebens enthalten, sind sie auch sein Feind. Diese Moleküle sind krebserregend und kommen häufig auf der Erde in Autoabgas- und Schornsteinemissionen vor. Der Grund, warum sie so schlecht für unsere Gesundheit sind, ist, dass sie schwer zu zerbrechen sind - ihr zentraler Kohlenstoffring ist extrem stabil und reaktionsresistent, was es für unseren Körper schwierig macht, sie abzubauen. Diese Stabilität bedeutet aber auch, dass sie sich längere Zeit in der rauen Umgebung des Weltraums aufhalten können und nur gelegentlich von extrem energiereichen Photonen aufgebrochen werden. Astronomen haben generische Lichtmuster gesehen, die darauf hindeuten, dass einige Arten von PAK in unserer Galaxie und in anderen im Überfluss vorhanden sind. Einzelne PAK-Moleküle sind jedoch sehr schwer voneinander zu unterscheiden, und Forscher konnten nie feststellen, welche spezifischen Moleküle es gibt.

Um Benzonitril zu erkennen, beobachteten Astronomen unter der Leitung des Chemikers Brett McGuire vom National Radio Astronomy Observatory in Virginia die Stierwolke insgesamt mehr als 35 Stunden lang und kombinierten das gesamte gesammelte Licht zu einem einzigen Datensatz, der schließlich die molekulare Signatur zeigte. Jede chemische Spezies hat charakteristische Wellenlängen des Lichts, das sie emittiert oder absorbiert, abhängig von ihrer genauen Konfiguration. Benzonitril machte seine Anwesenheit bekannt, indem es Photonen im Funkbereich des elektromagnetischen Spektrums emittierte, während das Molekül Ende über Ende im Raum fiel. "Wie verteilt die Masse des Moleküls ist und wo sich die Atome ändern, wie schnell sich das Molekül dreht", sagt McGuire. "Wenn das Molekül Drehimpulse abgibt oder gewinnt, gibt es Licht ab."

Die Forscher konnten Benzonitril identifizieren, weil es asymmetrisch ist: An einer Kante seines Kohlenstoffhexagons hängt ein Kohlenstoff-Stickstoff-Paar. Dieses Unterscheidungsmerkmal erleichtert das Auffinden von vollständigen PAK. Letztere neigen dazu, symmetrisch zu sein, so dass sich ihre Form beim Drehen nicht ändert. Daher geben sie beim Drehen kein erkennbares Lichtmuster ab. Das Team hofft, bald dieselbe Technik verwenden zu können, um Benzonitril an anderen kosmischen Orten zu identifizieren. "Wenn wir es zum ersten Mal in dieser Quelle beobachten, verstehen wir jetzt, dass es da draußen ist", sagt McGuire, "und wir haben Ideen von anderen Orten, an denen wir danach suchen können."