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Erstmals schweres Methanol im Weltraum nachgewiesen
Um einen jungen Stern in der Perseus-Molekülwolke haben Astronomen erstmals vollständig deuteriertes Methanol eindeutig im All nachgewiesen, bei dem alle vier Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt sind. Die gemessene Häufigkeit passt nicht zu gängigen Modellen und deutet darauf hin, dass bei der Bildung mehrfach deuterierter Moleküle ein wichtiger chemischer Prozess fehlt.
Bonn (Deutschland). Methanol ist in jungen Sternsystemen ein besonders wichtiger Baustein der organischen Chemie. Es bildet sich vor allem durch die schrittweise Anlagerung von Wasserstoff an Kohlenmonoxid im Eis auf Staubkörnern, noch bevor ein Protostern seine Umgebung stark erwärmt. Unter diesen kalten Bedingungen kann Deuterium, ein schweres Wasserstoffisotop, Wasserstoffatome in Molekülen ersetzen und damit ein chemisches Gedächtnis der frühen Sternentstehung hinterlassen.
Forscher des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) um Dr. Arnaud Belloche haben nun die Methanolvarianten beim Protostern IRAS4A2 in der rund 1000 Lichtjahre entfernten Perseus-Molekülwolke untersucht. Dafür nutzte das Team Daten des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) aus dem Programm Complex Organic Molecules in Protostars with ALMA Spectral Surveys (COMPASS). COMPASS umfasst elf junge Sternsysteme, für den neuen Nachweis stand IRAS4A2 im Mittelpunkt.
Im Spektrum von IRAS4A2 identifizierten die Astronomen zehn klare und nur wenig überlagerte Linien von CD₃OD, bei dem alle vier Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt sind. Damit liegt erstmals ein robuster interstellarer Nachweis von vollständig deuteriertem Methanol vor und zugleich die erste Beobachtung eines vierfach deuterierten Moleküls im interstellaren Raum.
„Die Deuterierung ermöglicht es uns, die chemische Entwicklung von Molekülen während der Entstehung von Sternen und Planeten nachzuverfolgen. So können wir ihre Chemie verstehen und letztlich auch, wie molekulare Komplexität von interstellaren Wolken auf Planetensysteme übertragen wird“, erklärt Dr. Silvia Spezzano vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE).
Aus den Spektren bestimmten die Forscher außerdem die Häufigkeiten verschiedener Methanolvarianten, wobei sie wegen einer wahrscheinlich unterschätzten Menge des gewöhnlichen Methanols seltener vorkommende Kohlenstoff-13- und Sauerstoff-18-Varianten als Stellvertreter verwendeten. Daraus ergibt sich für CD₃OD eine Häufigkeit von ungefähr 0,04 Prozent relativ zu Methanol.
Besonders auffällig ist das Muster der Deuterierung, denn bei einfach deuterierten Methanolformen liegt das abgeleitete Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff ungefähr bei einem Prozent. Bei mehrfach deuterierten Varianten erreicht es dagegen Werte nahe oder über zehn Prozent. Eine rein statistische Verteilung von Wasserstoff und Deuterium kann dieses Muster nicht erklären.
Auch die verglichenen astrochemischen Modelle bleiben deutlich unter den Beobachtungen und unterschätzen mehrfach deuterierte Methanolformen um mehrere Größenordnungen. In einem der getesteten Modelle liegt die Vorhersage für CD₃OD sogar bis zu fünf Größenordnungen unter dem gemessenen Wert, also ungefähr um den Faktor 100.000.
„Ein entscheidender Prozess, der die Bildung von mehrfach deuteriertem Methanol vorantreibt, scheint folglich in allen von ihnen zu fehlen“, erläutert Dr. Arnaud Belloche.
In den ALMA-Daten finden sich weitere bislang nicht identifizierte Spektrallinien, von denen einige nach Einschätzung des Teams zu den ebenfalls mehrfach deuterierten Methanolformen CH₂DOD und CHD₂OD gehören könnten. Für einen sicheren Nachweis fehlen jedoch noch hinreichend genaue Laborspektren, mit denen sich deren astronomische Signaturen eindeutig vorhersagen lassen.