Das Geheimnis der diffusen interstellaren Banden

Wir haben die Möglichkeit, die Formen, Entfernungen, Größen und Bewegungen der Sterne zu bestimmen, während wir niemals durch irgendein Mittel ihre chemische Zusammensetzung bestimmen können

Damit lag er spektakulär falsch, wie die wenige Jahre später entwickelte Technik der Spektroskopie eindrucksvoll demonstrierte. Eine sorgfältige Analyse des Lichts ließ Astronomen die Spektrallinien finden und verstehen. Wenn Licht aus dem Inneren eines Sterns durch das heiße Gas nach außen strahlt, dann trifft es dabei auf die Atome aus denen dieses Gas besteht. Die Elektronen in der Hülle der Atome blockieren einen kleinen Teil des Lichts und welcher Teil das ist, hängt davon ab, wie die Elektronen in der Hülle konfiguriert sind. Und da dies bei jedem chemischen Element anders ist, erzeugen sie alle unterschiedliche Spektrallinien. Die Astronomen sind seitdem in der Lage, sehr genau herauszufinden, wie Sterne chemisch zusammen gesetzt sind.

Das Licht durchquert aber nicht nur den Stern selbst, sondern auf seinem Weg zur Erde auch den gesamten Weltraum dazwischen. Und der ist zwar ziemlich leer, aber nicht komplett. Hie und da findet man ein paar Moleküle, ein paar Atome, größere oder kleinere kosmische Wolken und das eine oder andere Staubkorn. Dieses interstellare Medium beeinflusst das Licht ebenfalls und schwächt es ab. Dieses Phänomen nennt man „Extinktion“ und es wirkt sich auf das gesamte Lichtspektrum gleichmäßig aus. Im Jahr 1922 entdeckte die amerikanische Astronomin Mary Lea Heger aber, dass sich im Lichtspektrum eines Sterns auch ein paar sehr seltsame Spektrallinien finden. Sie waren viel diffuser und unschärfer als die schmalen Linien die durch die Materie in den äußeren Schichten eines Sterns erzeugt werden. Die Stärke dieser diffusen Linien war, zumindest ein wenig, auch mit der Stärke der Extinktion korreliert. Je mehr interstellare Materie das Licht durchqueren musste, desto schwächer erschienen die Linien. Daraus schlossen die Astronomen, dass diese diffusen interstellaren Banden (DIBs) irgendwie vom Material zwischen den Sternen hervorgerufen werden mussten.

Aber wovon genau? Die Spektrallinien entsprachen keinem bekannten chemischen Element oder Molekül. Zumindest nicht den einfachen Molekülen und mehr als einfache Moleküle konnte es im Weltall ja wohl nicht geben, wie man dachte. Man fand auch viele verschiedene DIBs, deren Stärke nicht voneinander abhing, was ein deutlicher Hinweis darauf war, dass es mehr als nur einen einzigen Ursprung für sie geben muss. Das Rätsel der Herkunft der diffusen interstellaren Banden blieb ungelöst. Aber jetzt, nach fast 100 Jahren, könnte es endlich eine Antwort geben, meint Harold Kroto in seinem Vortrag und erklärt, welche Rolle die Chemie bei der Lösung dieses Rätsel gespielt hat.

Die DIBs sind nicht einfach einzelne Spektrallinien, sondern zeigen bei näherer Beobachtung eine komplexe Struktur. Eine komplexe Struktur, die von ebenso komplexen Molekülen erzeugt werden muss. Und mit komplexen Molekülen kennt Harold Kroto sich aus! Seinen Nobelpreis bekam er (gemeinsam mit Robert Curl und Richard Smalley) für die Herstellung des sogenannten „Buckminster-Fullerens“ C60. Es besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die eine Art „Fußball“ bilden; eine symmetrische, kugelförmige Struktur (ein abgestumpftes Ikosaeder) die aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken zusammengesetzt ist. Kroto und seine Kollegen konnten dieses außergewöhnliche Molekül im Labor herstellen und zwar mit Hilfe der Astronomie: Bei ihren Experimenten simulierten sie die chemischen Vorgänge in der Atmosphäre roter Riesensterne und stellten überrascht fest, dass die Buckminster-Fullerene sich dort spontan bilden können und es bei ihnen im Labor auch taten.

Wenn solche Moleküle in Sternen entstehen können, dann können sie auch im Weltall vorkommen. Ein roter Riese ist ein Stern, der sich gegen Ende seines Lebens enorm stark aufgebläht hat und die äußeren Schichten seiner Atmosphäre hinaus ins All pustet. All die Elemente, die er im Laufe seines Lebens in seinem Inneren durch Kernfusion erzeugt hat werden dabei in der Milchstraße verteilt. Genau so wie die komplexen Moleküle, die bei denen von Kroto untersuchten chemischen Reaktionen entstanden sein müssten. In der interstellaren Materie sollten also auch die Buckminster-Fullerene zu finden sein. Ebenso wie andere komplizierte Moleküle, wie die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe. Auf der Erde kennen wir die zum Beispiel als „Weichmacher“ und Schadstoffe, denen wir uns ungern aussetzen wollen. Im Weltall wurde ihre Existenz in der interstellaren Materie mit Weltraumteleskopen in den letzten Jahren und Jahrzehnten immer wieder beobachtet. Die Astronomen schätzen die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe besonders, weil sie von ihnen einiges über die Entstehung von Sternen lernen können. Sterne entstehen aus großen kosmischen Wolken interstellarer Materie in die man nur schwer hinein blicken kann. Aber wenn dort schon junge Sterne entstanden sind, geben sie besonders viel Ultraviolett-Strahlung ab. Dieses UV-Licht regt die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe zu Leuchten an, was mit entsprechenden Teleskopen beobachtet werden kann!

Es lohnt sich also durchaus, Ahnung von Chemie zu haben, wenn man astronomische Vorgänge verstehen will. Kroto und seine Kollegen haben schon in den 1980er Jahren vorgeschlagen, dass eben das C60, das sie in ihrem Labor erzeugt haben, für die diffusen interstellaren Banden verantwortlich sein könnte. Mittlerweile hat man die Existenz dieses Riesenmoleküls im Weltall auch konkret nachweisen können. Es ist nun klar, dass Sterne nicht nur in der Lage sind, neue chemische Elemente in ihrem Inneren zu produzieren, sondern dort auch chemische Reaktionen stattfinden, die höchst komplexe Resultate liefern. Wie die diffusen interstellaren Banden genau entstehen, ist aber noch nicht abschließend geklärt. Ob es nun ausschließlich die Buckminster-Fullerene sind oder doch eher die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe oder vielleicht eine Mischung aus beidem mit etwas interstellarem Staub: Das müssen die Wissenschaftler noch herausfinden. Aber zumindest sind die DIBs kein so großes Mysterium mehr wie zum Zeitpunkt ihrer Entdeckung. Damals konnte man sich nicht vorstellen, dass die komplexen Moleküle, die sie hervor bringen im Weltall existieren könnten. Die Chemiker um Harold Kroto haben gezeigt, dass es durchaus möglich ist während die Astronomen seine Vorhersage bestätigt haben. Und wenn das Rätsel der diffusen interstellaren Banden in (hoffentlich) naher Zukunft gelöst wird, dann wird auch das ein Erfolg der interdisziplinären Forschung sein.

Harold Kroto, Nobelpreisträger für Chemie des Jahres 1996, spricht in Lindau über Astronomie. Und warum auch nicht? Immerhin steht das 65. Lindau Nobel Laureate Meeting im Zeichen der Interdisziplinarität. Chemie und Astronomie mögen vielleicht auf den ersten Blick nicht allzu viel miteinander zu tun haben. Aber auf den zweiten sehr wohl und das ist durchaus wörtlich zu nehmen. Als die Astronomen früher in den Himmel geblickt haben, sahen sie dort „nur“ Sterne. Über die man nie sehr viel wissen würde, wie der französische Philosoph Auguste Comte 1835 plaktiv behauptete:

„Wir haben die Möglichkeit, die Formen, Entfernungen, Größen und Bewegungen der Sterne zu bestimmen, während wir niemals durch irgendein Mittel ihre chemische Zusammensetzung bestimmen können“

Damit lag er spektakulär falsch, wie die wenige Jahre später entwickelte Technik der Spektroskopie eindrucksvoll demonstrierte. Eine sorgfältige Analyse des Lichts ließ Astronomen die Spektrallinien finden und verstehen. Wenn Licht aus dem Inneren eines Sterns durch das heiße Gas nach außen strahlt, dann trifft es dabei auf die Atome aus denen dieses Gas besteht. Die Elektronen in der Hülle der Atome blockieren einen kleinen Teil des Lichts und welcher Teil das ist, hängt davon ab, wie die Elektronen in der Hülle konfiguriert sind. Und da das bei jedem chemischen Element anders ist, erzeugen sie alle unterschiedliche Spektrallinien. Die Astronomen sind seitdem also in der Lage, sehr genau herauszufinden, wie Sterne chemisch zusammen gesetzt sind.

Das Licht durchquert aber nicht nur den Stern selbst, sondern auf seinem Weg zur Erde auch den gesamten Weltraum dazwischen. Und der ist zwar ziemlich leer, aber nicht komplett. Hie und da findet man ein paar Moleküle, ein paar Atome, größere oder kleiner kosmische Wolken und das eine oder andere Staubkorn. Dieses interstellare Medium beeinflusst das Licht ebenfalls und schwächt es ab. Dieses Phänomen nennt man „Extinktion“ und es wirkt sich auf das gesamte Lichtspektrum gleichmäßig aus. Im Jahr 1922 entdeckte die amerikanische Astronomin Mary Lea Heger aber, dass sich im Lichtspektrum eines Sterns auch ein paar sehr seltsame Spektrallinien finden. Sie waren viel diffuser und unschärfer als die schmalen Linien die durch die Materie in den äußeren Schichten eines Sterns erzeugt werden. Die Stärke dieser diffusen Linien war, zumindest ein wenig, auch mit der Stärke der Extinktion korreliert. Je mehr interstellare Materie das Licht durchqueren musste, desto schwächer erschienen die Linien. Daraus schlossen die Astronomen, dass diese diffusen interstellaren Banden (DIBs) irgendwie vom Material zwischen den Sternen hervor gerufen werden muss.

Aber wovon genau? Die Spektrallinien entsprachen keinem bekannten chemischen Element oder Molekül. Zumindest nicht den einfachen Molekülen und mehr als einfache Moleküle konnte es im Weltall ja wohl nicht geben, wie man dachte. Man fand auch viele verschiedene DIBs, deren Stärke nicht voneinander abhing, was ein deutlicher Hinweis darauf war, dass es mehr als nur einen einzigen Ursprung für sie geben muss. Das Rätsel der Herkunft der diffusen interstellaren Banden blieb ungelöst. Aber jetzt, nach fast 100 Jahren, könnte es endlich eine Antwort geben, mein Harold Kroto in seinem Vortrag und erklärt, welche Rolle die Chemie bei der Lösung dieses Rätsel gespielt hat.

Die DIBs sind nicht einfach einzelne Spektrallinien, sondern zeigen bei näherer Beobachtung eine komplexe Struktur. Eine komplexe Struktur, die von ebenso komplexen Molekülen erzeugt werden muss. Und mit komplexen Molekülen kennt Harold Kroto sich aus! Seinen Nobelpreis bekam er (gemeinsam mit Robert Curl und Richard Smalley) für die Herstellung des sogenannten „Buckminster-Fullerens“ C60. Es besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die eine Art „Fußball“ bilden; eine symmetrische, kugelförmige Struktur (ein abgestumpftes Ikosaeder) die aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken zusammengesetzt ist. Kroto und seine Kollegen konnten dieses außergewöhnliche Molekül im Labor herstellen und zwar mit Hilfe der Astronomie: Bei ihren Experimenten simulierten sie die chemischen Vorgänge in der Atmosphäre roter Riesensterne und stellten überrascht fest, dass die Buckminster-Fullerene sich dort spontan bilden können und das bei ihnen im Labor auch taten.

Wenn solche Moleküle also in Sternen entstehen können, dann können sie auch im Weltall vorkommen. Ein roter Riese ist ein Stern, der sich gegen Ende seines Lebens enorm stark aufgebläht hat und die äußeren Schichten seiner Atmosphäre hinaus ins All pustet. All die Elemente, die er im Laufe seines Lebens in seinem Inneren durch Kernfusion erzeugt hat werden dabei in der Milchstraße verteilt. Genau so wie die komplexen Moleküle die bei denen von Kroto untersuchten chemischen Reaktionen entstanden sein müssten. In der interstellaren Materie sollten also auch die Buckminster-Fullerene zu finden sein. Ebenso wie andere komplizierte Moleküle, wie die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe. Auf der Erde kennen wir die zum Beispiel als „Weichmacher“ und Schadstoffe, denen wir uns ungern aussetzen wollen. Im Weltall wurde ihre Existenz in der interstellaren Materie mit Weltraumteleskopen in den letzten Jahren und Jahrzehnten immer wieder beobachtet. Die Astronomen schätzen die polycyclischhen aromatischen Kohlenwasserstoffen besonders, weil sie von ihnen einiges über die Entstehung von Sternen lernen können. Sterne entstehen aus großen kosmischen Wolken interstellarer Materie in die man nur schwer hinein blicken kann. Aber wenn dort schon junge Sterne entstanden sind, geben sie besonders viel Ultraviolett-Strahlung ab. Dieses UV-Licht regt die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe zum Leuchten an, und das kann mit entsprechenden Teleskopen beobachtet werden!

Es lohnt sich also durchaus, Ahnung von Chemie zu haben, wenn man astronomische Vorgänge verstehen will. Kroto und seine Kollegen haben schon in den 1980er Jahren vorgeschlagen, dass eben das C60, das sie in ihrem Labor erzeugt haben, für die diffusen interstellaren Banden verantwortlich sein könnte. Mittlerweile hat man die Existenz dieses Riesenmoleküls im Weltall auch konkret nachweisen können. Es ist also nun klar, dass Sterne nicht nur in der Lage sind, neue chemische Elemente in ihrem Inneren zu produzieren, sondern dort auch chemische Reaktionen stattfinden, die höchste komplexe Resultate liefern. Wie die diffusen interstellaren Banden genau entstehen, ist aber noch nicht abschließend geklärt. Ob es nun ausschließlich die Buckminster-Fullerene sind oder doch eher die polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe oder vielleicht eine Mischung aus beidem mit etwas interstellaren Staub: Das müssen die Wissenschaftler noch herausfinden. Aber zumindest sind die DIBs kein so großes Mysterium mehr wie zum Zeitpunkt ihrer Entdeckung. Damals konnte man sich nicht vorstellen, dass die komplexen Moleküle die sie hervor bringen im Weltall existieren können. Die Chemiker um Harold Kroto haben gezeigt, dass das durchaus möglich ist und die Astronomen haben seine Vorhersage bestätigt. Und wenn das Rätsel der diffusen interstellaren Banden in (hoffentlich) naher Zukunft gelöst wird, dann wird auch das ein Erfolg der interdisziplinären Forschung sein.