Laborastrophysik

VON MOLEKÜLEN ZU NANO-KÖRNEN: Die Entwicklung der kosmischen Materie

Die große Vielfalt an Molekülen, die in astrophysikalischen Umgebungen zu finden sind, zeugt von der beeindruckenden Komplexität und dem chemischen Reichtum unseres Universums. Unser Ziel ist es, uns auf die allerersten Schritte in der chemischen Evolution der Materie zu konzentrieren, indem wir die relevanten Moleküle, von kleinen zweiatomigen und größeren mehratomigen Molekülen bis hin zu Staubteilchen in Nanogröße, im Labor, in der Theorie und durch Beobachtungen untersuchen. Im Jahr 2016 wurde das erste chirale Molekül, Propylenoxid, im Weltraum nachgewiesen. Als eine der beteiligten Gruppen des Sonderforschungsbereichs CRC-ELCH untersucht die Labor-Astrophysik-Gruppe die Dynamik und die chemischen Eigenschaften von chiralen Molekülen wie Propylenoxid, Styroloxid und Wasserstoffperoxid in der Gasphase.

2018 Start des Sonderforschungsbereichs ELCH. Der Sonderforschungsbereich ELCH, der seit 2018 von der DFG gefördert wird, widmet sich chiralen Molekülen in der Gasphase. Die Laborgruppe Astrophysik führt hochpräzise spektroskopische Experimente durch, um die interne Tunneldynamik chiraler Moleküle zwischen ihren enantiomeren Formen zu untersuchen. Im Jahr 2019 hat die Gruppe zwei OPO-Lasersysteme eingerichtet, die beide auf einem Frequenzkamm frequenzstabilisiert sind. Darüber hinaus wurde ein GPS-gesteuertes 100-GHz-Chirped-Puls-Spektrometer aufgebaut, um Zwei-Photonen-IR-mm-Spektroskopie chiraler Moleküle in der Gasphase und in Überschalljets durchzuführen.

Abbildung 1: Die Struktur und innere Dynamik der chiralen Moleküle Propylenoxid und Styroloxid werden mit Hilfe von Hochpräzisionsspektroskopie untersucht.

2018: SiO-Infrarot-Emission in der Hülle des Roten Riesensterns VY Canis Majoris. Basierend auf neueren Laborergebnissen (Breier et al. 2018, Breier et al. 2019, Witsch et al. 2019) begannen wir eine systematische Suche nach kleinen metall- und siliziumhaltigen Molekülen, z.B. SiO, AlO, AlS, TiO, in den Schalen von Sternen des späten Typs VY Canis Majoris und IRC+10216. Die Moleküle werden als Fragmente von Partikeln in Nanogröße betrachtet, die sich am Ende der Lebensdauer von Sternen bilden. In den Jahren 2018 und 2019 wurde uns Beobachtungszeit am IRTF-Teleskop auf Mauna Kea/Hawaii gewährt. Die dichten Infrarotspektren enthalten die molekularen Fingerabdrücke einer großen Anzahl kleiner Moleküle, die in diesen Sternumgebungen vorkommen.

Abbildung 2: NASA-Infrarot-Teleskopanlage (IRTF), Mauna Kea
Abbildung 3: Atacama Large Millimeter Array ALMA

 

 

2018: Nachweis des ersten radioaktiven Moleküls im Weltraum. Die chemische Vielfalt der interstellaren Materie beruht auf den Kernsyntheseprozessen, die im inneren Kern von Sternen ablaufen und zur Bildung chemischer Elemente führen. Unter den vielen stabilen Elementen gibt es auch instabile radioaktive Isotope, deren Lebensdauer zu kurz ist, um die zentrale Region des Sterns zu verlassen und in den Weltraum zu gelangen. Im Jahr 2017 sagte die Laboratoriumsgruppe Astrophysik in Kassel die hypothetischen spektroskopischen Eigenschaften von Molekülen voraus, die mindestens ein radioaktives Atom enthalten. Zusammen mit einem internationalen Team von Astrophysikern und astronomischen Beobachtern wurde das erste radioaktive Molekül im Weltraum, 26AlF, mit dem Großteleskoparray ALMA (Kamiński et al. (2018)) nachgewiesen. 

2019: Erster Nachweis von 13C-Isotopologen des Tricarbon im Zentrum unserer Galaxie. C3 ist ein lineares Molekül, das wahrscheinlich aus Sprühprozessen großer interstellarer Kohlenstoffmoleküle und kohlenstoffhaltiger Nanopartikel gebildet wird. Auf der Grundlage unserer jüngsten Laborstudien (Breier et al. 2016) wurden die 13C-Isotopologen 13CCC und C13CC im Zentrum unserer Galaxie mit dem luftgestützten Teleskop für Infrarot- und Submillimeterwellenspektroskopie SOFIA (Giesen et al. 2019) nachgewiesen.

Abbildung 4: Luftgestütztes Observatorium SOFIA.

Referenzen

Breier et al. (2016)          A.A. Breier, T. Büchling, R. Schnierer, V. Lutter, G.W. Fuchs, K.M.T. Yamada, B. Mookerjea, J. Stutzki, T.F. Giesen, J. Chem. Phys. 145, 23 (2016).

Breier et al. (2018)          A.A. Breier, B. Waßmuth, T. Büchling, G.W. Fuchs, J. Gauss, T.F. Giesen, J. Mol. Spectrosc., 350, 43 (2018).

Breier et al. (2019)          A.A. Breier, B. Waßmuth, G.W. Fuchs, J. Gauss, T.F. Giesen, J. Mol. Spectrosc., 355, 46 (2019).

Giesen et al. (2019)         T.F. Giesen, B. Mookerjea, G.W. Fuchs, A.A. Breier, D. Witsch, R. Simon, J. Stutzki, (Astronom. & Astrophys., accepted for publication).

Kamiński et al. (2018)     T. Kamiński, R. Tylenda, K.M. Menten, A. Karakas, J.M. Winters, A.A. Breier, K. T. Wong, T.F. Giesen and N. A. Patel, Nature Astronomy, 2, 778 (2018).

Witsch et al. (2019)         D. Witsch, V. Lutter, A.A. Breier, K.M.T. Yamada, G.W. Fuchs, J. Gauss, T.F. Giesen, J. Phys. Chem. A, 123, 19, 4168-4177 (2019).

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