Quelle: Universität Bern 5. Juli 2022.

5. Juli 2022 – Die Entdeckung gelang dank der Analyse von Daten, die während der Rosetta-Mission der ESA vom Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, kurz Chury, gesammelt wurden. Solche organischen Stoffe, die durch Kometeneinschläge auch auf die frühe Erde gelangten, könnten dazu beigetragen haben, das kohlenstoffbasierte Leben, wie wir es kennen, in Gang zu setzen.

Kometen sind Fossilien aus der Urzeit und den Tiefen unseres Sonnensystems und sind Überbleibsel der Entstehung von Sonne, Planeten und Monde. Einem Team unter der Leitung der Chemikerin Dr. Nora Hänni vom Physikalischen Institut der Universität Bern, Abteilung Weltraumforschung und Planetologie, ist es nun gelungen, erstmals eine ganze Reihe komplexer organischer Moleküle bei einem Kometen zu identifizieren. Dies berichten die Forschenden in einer Studie, die Ende Juni in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde.

Genauere Analyse dank Berner Massenspektrometer
Mitte der 1980er Jahre schickten die grossen Raumfahrtagenturen eine Flotte von Raumfahrzeugen aus, um am Halleyschen Kometen vorbeizufliegen. An Bord befanden sich mehrere Massenspektrometer, die die chemische Zusammensetzung sowohl der Kometenkoma – der dünnen Atmosphäre, die durch die Sublimation von Kometeneis in der Nähe der Sonne entsteht –, als auch von Staubpartikeln untersuchten. Die von diesen Instrumenten gesammelten Daten verfügten jedoch nicht über die erforderliche Auflösung, um eine eindeutige Bestimmung der Zusammensetzung des Kometen zu ermöglichen. Mehr als 30 Jahre später hat das hochauflösende Massenspektrometer ROSINA, ein Instrument unter der Leitung der Universität Bern an Bord der ESA-Raumsonde Rosetta, zwischen 2014 und 2016 Daten über den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, auch bekannt als Chury, gesammelt. Diese Daten gestatten den Forschenden nun zum ersten Mal, Licht in den komplexen organischen Haushalt von Chury bringen.

Das Geheimnis lag im Staub verborgen
Als Chury sein Perihel erreichte, den sonnennächsten Punkt, wurde er sehr aktiv. Das sublimierende Kometeneis erzeugte einen «Ausfluss», der Staubpartikel mit sich zog. Die abgestoßenen Partikel wurden durch die Sonneneinstrahlung auf Temperaturen aufgeheizt, die über denen liegen, die typischerweise auf der Kometenoberfläche herrschen. Dadurch gelangten größere und schwerere Moleküle in die Gasphase und konnten vom hochauflösenden Massenspektrometer ROSINA-DFMS (Rosetta Orbiter Sensor for Ion and Neutral Analysis-Double Focusing Mass Spectrometer) gemessen werden.

Die Astrophysikerin Prof. em. Dr. Kathrin Altwegg, Hauptverantwortliche für das ROSINA-Instrument und Mitautorin der neuen Studie, sagt: «Aufgrund der extrem staubigen Bedingungen musste sich die Raumsonde auf eine sichere Distanz von etwas mehr als 200 km über der Kometenoberfläche zurückziehen, damit die Instrumente unter stabilen Bedingungen arbeiten konnten.» So war es möglich, Teilchen aufzuspüren, die aus mehr als einer Handvoll Atome bestehen und die zuvor im Kometenstaub verborgen geblieben waren.

Die Interpretation der komplexen ROSINA-Daten ist eine Herausforderung. Dem Berner Forschungsteam ist es jedoch gelungen, eine Reihe komplexer organischer Moleküle zu identifizieren, die bisher noch nie in einem Kometen nachgewiesen wurden. «Wir haben zum Beispiel Naphthalin gefunden, das für den charakteristischen Geruch von Mottenkugeln verantwortlich ist. Auch fanden wir Benzoesäure, ein natürlicher Bestandteil von Weihrauch. Und wir identifizierten Benzaldehyd, das weithin verwendet wird, um Lebensmitteln ein Mandelaroma zu verleihen und viele weitere Moleküle», erklärt die Chemikerin des ROSINA-Teams Nora Hänni. Diese komplexen organischen Stoffe würden den Geruch von Chury offenbar noch vielfältiger als bisher angenommen machen, aber auch angenehmer, so Hänni.

Abgesehen von wohlriechenden Molekülen wurden im organischen Haushalt von Chury auch viele mit sogenannter präbiotischer Funktionalität identifiziert (zum Beispiel Formamid). Solche Verbindungen sind wichtige Zwischenstufen bei der Synthese von Biomolekülen (zum Beispiel Zucker oder Aminosäuren). «Es scheint deshalb wahrscheinlich, dass einschlagende Kometen – als wesentliche Lieferanten von organischem Material – auch zur Entstehung von kohlenstoffbasiertem Leben auf der Erde beigetragen haben», erklärt Hänni.

Ähnliche organische Stoffe in Saturn und Meteoriten
Neben der Identifizierung einzelner Moleküle führten die Forschenden auch eine detaillierte Charakterisierung des gesamten Ensembles komplexer organischer Moleküle im Kometen Chury durch, um ihn in den größeren Kontext des Sonnensystems einordnen zu können. Parameter wie die durchschnittliche Summenformel dieses organischen Materials oder die durchschnittliche Bindungsgeometrie der darin enthaltenen Kohlenstoffatome sind für diverse wissenschaftliche Bereiche von Bedeutung, von der Astronomie bis zur Sonnensystemforschung.

«Es hat sich herausgestellt, dass der komplexe organische Haushalt von Chury im Durchschnitt identisch ist mit dem löslichen Teil der organischen Materie von Meteoriten», erklärt Hänni und ergänzt: «Starke Ähnlichkeiten gibt es – abgesehen von der relativen Menge der Wasserstoffatome – auch zum organischen Material, das auf Saturn von seinem innersten Ring herabregnet, wie es mit dem INMS-Massenspektrometer an Bord der NASA-Raumsonde Cassini nachgewiesen wurde», erklärt Hänni.

«Wir finden nicht nur Ähnlichkeiten zu den organischen Reservoirs im Sonnensystem, sondern viele der organischen Moleküle von Chury sind auch in Molekülwolken, den Geburtsstätten neuer Sterne, vorhanden», so Prof. Dr. Susanne Wampfler, Astrophysikerin am Center for Space and Habitability (CSH) der Universität Bern und Mitautorin der Publikation. «Unsere Ergebnisse sind konsistent mit dem Szenario eines gemeinsamen präsolaren Ursprungs der verschiedenen organischen Reservoirs des Sonnensystems und bestätigen, dass Kometen tatsächlich Material aus der Zeit lange vor der Entstehung unseres Sonnensystems enthalten,» so Wampfler abschließend.

Publikation
N. Hänni, K. Altwegg, M. Combi, S. A. Fuselier, J. De Keyser, M. Rubin, and S. F. Wampfler: Identification and characterization of a new ensemble of cometary organic molecules, Nature Communications,13, 3639 (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-31346-9.
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31346-9

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• Rosetta – wissenschaftliche Instrumente und Ergebnisse

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE).

11. April 2022 – Die ALMA-Beobachtungen der molekularen Wolke L1544 im Sternbild Stier zeigten nicht nur eine Konzentration von Staubkörnchen zum Zentrum hin, sondern auch, dass stickstoffhaltige Moleküle sowie Kohlenstoff, Sauerstoff und alle weiteren Elemente schwerer als Helium in dicken Eishüllen um die Staubkörner gespeichert sind. Diese Eishüllen sind reich an Wasser und organischen Molekülen, den Vorläufern prä-biotischer Moleküle. Die Häufigkeiten ähneln denen, die in Resten der Entstehung unseres Sonnensystems beobachtet wurden.

Eine der zentralen Fragen der modernen Astrophysik ist, wie Planeten und Sterne entstehen. Während die groben Züge bekannt sind – eine kalte Molekülwolke kollabiert unter ihrer eigenen Schwerkraft, eine Akkretionsscheibe entsteht und in ihrem Zentrum ein Protostern – steckt der Teufel im Detail. Ein entscheidender Schritt ist die Phase des so genannten prästellaren Kerns, wenn sich die interstellare Gaswolke zusammenzieht und abflacht (um schließlich eine proto-planetare Scheibe zu bilden), aber noch bevor die Gravitationskraft einen zentralen Protostern erzeugt.

Astronomen des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik haben nun mit den ALMA-Radioteleskopen einen solchen prästellaren Kern mit der Bezeichnung L1544 im Sternbild Stier in noch nie dagewesener Auflösung beobachtet. „Studien von prästellaren Kernen in nahen Wolken haben bereits Hinweise auf ihre physikalische und chemische Struktur geliefert, aber es war immer noch unklar, was im Zentrum passiert“, erklärt Paola Caselli, Hauptautorin der jetzt im Astrophysical Journal veröffentlichten Studie. „Jetzt können wir die Strukturen innerhalb der zentralen 2000 Astronomischen Einheiten (AE) untersuchen, wo das zukünftige Sternsystem entstehen wird.“ Zum Vergleich: Neptun, der äußerste bekannte Planet in unserem eigenen Sonnensystem befindet sich in einer Entfernung von 30 AE zur Sonne, während sich der Kuiper-Gürtel und die so genannten transneptunischen Objekte, kurzlebige Kometen und andere Eiskörper, auf etwa 200 AE erstrecken.

Die Beobachtungen umfassten sowohl die Kontinuumsemission von Staubkörnchen in diesem prästellaren Kern als auch Beobachtungen der Spektrallinien von deuteriertem Ammoniak, d. h. einem Molekül aus Stickstoff und Wasserstoff, bei dem ein Wasserstoffatom durch ein Deuteriumatom ersetzt ist (NH2D). Während die Kontinuumsemission des Staubes eine kompakte zentrale Region mit einer Masse von etwa 1/6 der Masse unserer Sonne erkennen ließ, war die Analyse der Moleküllinien die eigentliche Überraschung. Zum ersten Mal lieferten die Beobachtungen Beweise für ein fast vollständiges Ausfrieren: so gut wie alle (99,99%) Moleküle und Atome, die schwerer als Helium sind, verschwinden aus dem Gas und kondensieren auf den Staubkörnchen in den zentralen 2000 AE.

„Dies deutet auf eine ‚vollständige Leerzone‘ hin, in Übereinstimmung mit Vorhersagen astrochemischer Modelle für den prästellaren Kern“, führt Olli Sipilä aus, der die theoretische Modellierung durchführte. Das hochmoderne chemische Modell sagt voraus, dass das Ausfrieren bereits bei 7000 AE beginnt und dass Strahlungstransfereffekte dafür sorgen, dass die Emission einiger Moleküle auf das Zentrum konzentriert zu sein scheint. „Dies hat verhindert, dass das Ausfrieren in früheren Beobachtungen, bei denen das Zentrum nicht aufgelöst werden konnte, entdeckt wurde“, fügt er hinzu.

Die Staubkörner in einem solchen prästellaren Kern sind also von dicken Eishüllen umgeben, reich an Wasser und organischen Molekülen, welche die Bausteine für zukünftige Planeten bilden. Eine kürzlich durchgeführte Untersuchung des Kometen 67P/CG zeigte tatsächlich, dass die relativen Häufigkeiten der Moleküle dort ähnlich sind zu denen von prästellaren Kernen und jungen Sternentstehungsgebieten.

„Wir konnten zeigen, dass prästellare Moleküle vor der Bildung eines Sternsystems ähnlich dem unserem im Eis ‚gespeichert‘ werden“, betont Jaime Pineda, Zweitautor der Studie. Einige dieser prästellaren Eiskörper, insbesondere die Eiskörnchen im äußeren Teil der Scheibe, könnten spätere Stadien der Planetenbildung überleben und die chemische Signatur dieser frühen Phasen kurz vor dem Aufleuchten eines neuen Sterns konservieren. „Eisige Objekte an den Rändern unseres Sonnensystems könnten tatsächlich die ‚eingefrorene‘ chemische Geschichte unseres präsolaren Kerns enthalten, der Wolke, aus der alles entstanden ist, was wir heute in unserem Sonnensystem sehen – einschließlich uns selbst“, fasst Paola Caselli abschließend zusammen. „Da wir wissen, dass im jungen Sonnensystem einige der eisigen Körnchen in Richtung der Entstehungszone der terrestrischen Planeten gedriftet sind, könnten diese sogar zu den flüchtigen Molekülen, einschließlich Wasser und organischen Stoffen, auf unserer Erde beigetragen haben. D. h. sie könnten wertvolle Zutaten für den Ursprung des Lebens auf unserem Planeten geliefert haben.“

Originalveröffentlichung
The Central 1000 au of a Pre-stellar Core Revealed with ALMA. II. Almost Complete Freeze-out
Paola Caselli, Jaime E. Pineda, Olli Sipilä et al.
ApJ 929 13, 2022
The Central 1000 au of a Prestellar Core Revealed with ALMA. II. Almost Complete Freeze-out

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