Baustein des jungen Universums aufgespürt

Die frühe Entwicklung unseres Universums ist nicht denkbar ohne ein Molekül namens Heliumhydrid. Doch das Heliumhydrid-Ion HeH+ stellte die Wissenschaft vor ein Dilemma: Aus Laboruntersuchungen ist es seit fast hundert Jahren bekannt, aber im Weltall war es trotz aufwändiger Suche bisher nicht aufzufinden. Mit der Folge, dass die damit verbundenen chemischen Modellrechnungen angezweifelt wurden. Doch einem internationalen Forscherteam unter der Leitung von Rolf Güsten vom MPI für Radioastronomie in Bonn ist es nun geglückt, dieses Molekül in Richtung des planetarischen Nebels NGC 7027 eindeutig nachzuweisen. Gelungen ist der Nachweis mit Hilfe des Ferninfrarot-Spektrometers GREAT an Bord der fliegenden Sternwarte SOFIA.

In den späten 1970er Jahren deuteten astrochemische Modelle auf die Möglichkeit hin, dass HeH+ in nachweisbarer Häufigkeit in astrophysikalischen Nebeln innerhalb unserer Milchstraße vorhanden sein könnte. Es wurde angenommen, dass es vielleicht am leichtesten in planetarischen Nebeln gefunden werden könnte, die von sonnenähnlichen Sternen in der letzten Phase ihres Lebenszyklus ausgestoßen werden. Die energiereiche Strahlung, die dabei vom Zentralstern erzeugt wird, treibt Ionisationsfronten in die ausgestoßene Hülle. Genau dort soll sich nach den Modellrechnungen das HeH+-Molekül ausbilden. Doch trotz seiner unbestrittenen Bedeutung für die Geschichte des frühen Universums gelang es für lange Zeit nicht, das HeH+-Molekül im interstellaren Raum aufzufinden. Durch Laboruntersuchungen ist es seit 1925 bekannt, während die gezielte Suche im Weltall während der vergangenen Jahrzehnte erfolglos blieb.

 „Im vergangenen Jahrzehnt setzte man große Hoffnungen in die Weltraumobservatorien Spitzer und Herschel, 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", sagte Anke Pagels-Kerp, Abteilungsleiterin Extraterrestrik im DLR-Raumfahrtmanagement in Bonn.

Das Molekül strahlt am stärksten in einer Spektrallinie bei einer charakteristischen Wellenlänge von 0,149 Millimetern, entsprechend einer Frequenz von 2,01 Terahertz. Die Erdatmosphäre ist in diesem Wellenlängenbereich komplett undurchlässig für alle bodengebundenen Observatorien, so dass die Suche entweder aus dem Weltraum oder mit hochfliegenden Observatorien wie SOFIA erfolgen muss. In einer Flughöhe von 13 bis 14 Kilometern operiert SOFIA oberhalb der absorbierenden Schichten der unteren Atmosphäre.　

„SOFIA bietet die einzigartige Möglichkeit, jederzeit neueste Technologien einzusetzen. Mit der aktuellen Weiterentwicklung des deutschen Instruments GREAT wurde dieser Nachweis von Heliumhydrid nun ermöglicht. Das unterstreicht die Wichtigkeit und Chance, auch in Zukunft neue Instrumente für SOFIA zu entwickeln", erläutert Heinz Hammes, SOFIA-Projektleiter im DLR-Raumfahrtmanagement. „Mit den jüngsten Fortschritten in der Terahertz-Technologie ist es nun möglich, hochauflösende Spektroskopie bei den erforderlichen ferninfraroten Wellenlängen durchzuführen", erklärte Güsten.

Die herausragende Bedeutung des HeH+-Moleküls ergibt sich aus seiner Rolle bei der Entstehung des Universums: Ungefähr 300.000 Jahre nach dem Urknall erfolgte der Beginn aller Chemie. Die Temperatur im noch jungen Universum war zu diesem Zeitpunkt bereits unter einen Wert von etwa 3700 Grad Celsius gefallen. Die im Urknall entstandenen Elemente wie Wasserstoff, Helium, Deuterium und Spuren von Lithium waren zunächst aufgrund der hohen Temperaturen ionisiert. Sie rekombinierten sich im abkühlenden Universum wieder mit freien Elektronen, um so die ersten neutralen Atome zu erzeugen. Zunächst erfolgte dies bei Helium. Zu diesem Zeitpunkt war der Wasserstoff selbst noch ionisiert und lag in der Form von freien Protonen oder Wasserstoffkernen vor. Mit ihnen verbanden sich die Heliumatome zum Heliumhydrid-Ion HeH+, das so zu einer der wohl ersten molekularen Verbindungen im Universum wurde. Mit fortschreitender Rekombination reagierte das HeH+ mit den nun vorhandenen neutralen Wasserstoffatomen und bildete so einen Pfad zur Entstehung von molekularem Wasserstoff und damit dem chemischen Beginn unseres Universums.

DLR / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Güsten et al.: Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH+, Nature 568, 357 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-1090-x
• Division for Submillimeter Technologies (R. Güsten), Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
• Deutsches SOFIA-Institut, Universität Stuttgart