26.09.2014 - Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Interstellares Molekül mit verzweigtem Rückgrat

In einer Gaswolke nahe dem galaktischen Zentrum entdeckten Astronomen iso-Propylcyanid

Im Weltall existiert eine große Vielzahl organischer Moleküle. Eines davon, iso-Propylcyanid (i-C3H7CN), haben Wissenschaftler jetzt in der Gaswolke Sagittarius B2 gefunden, einer Region heftiger Sternentstehung in unmittelbarer Nähe zum Zentrum unserer Milchstraße. Die verzweigte Struktur der Kohlenstoffatome in iso-Propylcyanid unterscheidet sich von allen anderen Molekülen, welche die Forscher bisher im interstellaren Raum aufgespürt haben. Die Entdeckung erweitert die Grenzen der Chemie von Sternentstehungsgebieten und ist ein Indiz für die Existenz von Aminosäuren, bei denen eine solch verzweigte Struktur eine Schlüsselgröße ist.

Wasserstoffreiche und kohlenstoffhaltige (organische) Moleküle sind für das Leben auf der Erde unverzichtbar. Sie finden sich bevorzugt in Gaswolken, in denen neue Sterne geboren werden. „Es ist sehr wichtig für uns zu verstehen, wie organische Moleküle sich bereits in frühen Phasen der Sternentstehung in diesen Gaswolken bilden“, sagt Arnaud Belloche vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Erstautor des Aufsatzes in der Zeitschrift Science. „Damit sind wir in der Lage, die einzelnen Phasen von der Entstehung einfacher Moleküle zu möglicherweise Leben tragender Chemie zusammenzufügen.“

Schon in den 1960er-Jahren begannen die Astronomen mit der Suche nach Molekülen im interstellaren Raum, bisher haben sie etwa 180 unterschiedliche gefunden. Jedes Molekül sendet Strahlung ganz bestimmter Wellenlängen aus und hat damit ein jeweils charakteristisches Spektrum. Dieses gleicht einer Art Fingerabdruck, über den sich das Molekül mit Radioteleskopen identifizieren lässt.

Bis jetzt hatten alle organischen Moleküle, die man in Sternentstehungsregionen entdeckt hat, etwas gemeinsam: Sie setzen sich jeweils aus einem „Rückgrat“ aus Kohlenstoffatomen zusammen, die entlang einer mehr oder weniger geraden Kette angeordnet sind. Bei dem Molekül iso-Propylcyanid hingegen weist das Muster seiner Kohlenstoffatome eine Verzweigung mit einem zusätzlichen Ast auf.

„Es ist das erste Mal überhaupt, dass wir solch ein Molekül mit verzweigtem Rückgrat aus Kohlenstoff im interstellaren Raum gefunden haben“, sagt Holger Müller, Forscher an der Universität zu Köln und Ko-Autor der Veröffentlichung. Müller hat den spektralen Fingerabdruck des Moleküls im Labor vermessen, mit dessen Hilfe es sich dann auch im Weltall nachweisen ließ.

Nicht nur die neuartige Struktur des Moleküls überrascht die Fachleute. Es tritt auch beinahe halb so häufig auf wie sein unverzweigtes Schwestermolekül, normal-Propylcyanid (n-C3H7CN), welches dasselbe Team bereits einige Jahre zuvor mit dem 30-Meter-Radioteleskop des Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) entdeckt hat.

„Die enorme Häufigkeit von iso-Propylcyanid lässt vermuten, dass verzweigte Moleküle in der Tat die Regel und nicht etwa die Ausnahme bei Molekülen im interstellaren Raum darstellen könnten”, sagt Robin Garrod, ein Astrochemiker an der US-amerikanischen Cornell-Universität und Ko-Autor des Science-Artikels.

Die Forscher nutzten das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile, um den molekularen Gehalt der Sternentstehungsregion Sagittarius B2 (Sgr B2) zu untersuchen. Sie liegt in unmittelbarer Nähe zum Zentrum unserer Milchstraße in rund 27.000 Lichtjahren Entfernung von der Erde und stellt eine einzigartig reichhaltige Fundgrube für komplexe interstellare Moleküle dar.

„Dank der Leistungsfähigkeit von ALMA waren wir in der Lage, eine komplette spektrale Durchmusterung in Richtung von Sagittarius B2 im Wellenlängenbereich zwischen 2,7 und 3,6 Millimetern vorzunehmen“,  sagt Max-Planck-Forscher Arnaud Belloche. „Dabei waren Empfindlichkeit und räumliche Auflösung zehnfach besser als in unseren vorhergehenden Durchmusterungen. Und wir haben nur ein Zehntel der Zeit dafür gebraucht.“

Die Wissenschaftler suchten in den Daten systematisch nach den Fingerabdrücken von neuen interstellaren Molekülen. „Vor dem Hintergrund von Vorhersagen aus unserer Kölner Datenbank für Molekülspektroskopie waren wir in der Lage, Spektrallinien von beiden Unterarten des Propylcyanids zu identifizieren“, sagt Holger Müller.

Insgesamt 50 Linien im ALMA-Spektrum von Sgr B2 konnten die Astronomen eindeutig i-Propylcyanid zuordnen, 120 n-Propylcyanid. Beide Moleküle, aus jeweils 12 Einzelatomen bestehend, sind die größten überhaupt, die man bis jetzt in Sternentstehungsregionen gefunden hat.

Die Forschergruppe hat mit Computermodellen die chemischen Vorgänge bei der Entstehung der in Sgr B2 gefundenen Moleküle simuliert. Ähnlich wie eine ganze Reihe weiterer komplexer organischer Moleküle bilden sich beide Arten von Propylcyanid sehr effektiv auf den Oberflächen von interstellaren Staubkörnern.

„Aber“, so Robin Garrod, „die Modelle zeigen uns, dass bei Molekülen, die groß genug dazu sind, verzweigte Strukturen zu bilden, dies die vorherrschenden Formen sein könnten. Der Nachweis des nächsten Mitglieds der Alkylcyanid-Serie, n-Butylcyanid (n-C4H9CN), mit drei unterschiedlich verzweigten Isomeren, würde es uns möglich machen, diese Annahme zu testen.”

„Die in Meteoriten gefundenen Aminosäuren haben eine Zusammensetzung, die darauf schließen lässt, dass sie im interstellaren Medium entstanden sind“, fügt Arnaud Belloche hinzu. „Obwohl wir noch keine Aminosäure direkt im interstellaren Raum nachweisen konnten, dürfte die interstellare Chemie zur Erzeugung sehr vieler komplexer Moleküle beigetragen haben, die schließlich auf der Oberfläche von Planeten gelandet sind.“

„Die Entdeckung von iso-Propylcyanid zeigt uns, dass Aminosäuren tatsächlich im interstellaren Medium vorkommen dürften, da die verzweigte Struktur ein Schlüsselmerkmal für diese Art von Molekülen ist“, sagt Karl Menten, Direktor und Leiter der Forschungsabteilung Millimeter- und Submillimeterastronomie am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. „Wir hoffen, dass wir Aminosäuren bald auch im interstellaren Medium aufspüren.“

  • Arnaud Belloche, Robin T. Garrod, Holger S. P. Müller, Karl M. Menten; Detection of a branched alkyl molecule in the interstellar medium: iso-propyl cyanide; Science, 26. September 2014
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