Die Ausgangslage:
Im Kosmos sind zahlreiche komplexe organische Verbindungen nachgewiesen worden. Sie werden als Grundbausteine des Lebens angesehen, die durch Kometen und Metorite auf die junge Erde gebracht werden. Nur dadurch konnte sich relativ schnell nach der Abkühlung Leben auf der Erde bilden.
Das Problem:
Der Kosmos ist leer. Wie finden dort die zahlreichen Atome zusammen um z.B. H2C2O4 zu bilden?
Das erfordert kühlere Umgebungen, damit die Strahlung heißer Sterne diese Moleküle nicht gleich wieder zersetzt. Im Inneren von interstellaren Staubwolken ist die Abschirmung von der Strahlung gut genug. Dort sitzen Staubkörner, die mit Eis überzogen sind. Im Eis stecken einzelne Atome. Die inneren Eisschichten bestehen aus Wassereis, die äußeren Schichten aus gefrorenem CO.
Aber wie kommen diese Atome zusammen? Und zwar ausreichend schnell, so dass sich die großen Mengen organischen Materials auch damit erklären lassen?
Die Entstehung der Staubkörner selbst ist recht gut verstanden: Das passiert in den Atmosphären von Riesensternen und bei Supernovaexplosionen.
Die Lösung:
Forschende des MPI für Astronomie und der Universität Syracus haben experimentell eine Antwort gefunden.
An den Staubteilchen lagert sich außen CO als Kohlenmonoxid-Eis an. Viele Atome oder Molekülteile sind dort eingebettet. Bei Temperaturen unter 10 K ist das CO-Eis amorph, d.h. die CO-Moleküle kleben alle in unterschiedlichen Orientierungen aneinander. Sind dort andere Substanzen eingebettet, so ist die Diffusionsrate so klein, dass es nicht zur Bildung von organischen Substanzen kommen kann.
Erwärmt sich das Staubkorn auf über 10 K, so gibt es einen Phasensprung im CO-Eis. Die Moleküle ordnen sich in vielen kleinen regelmäßigen Strukturen an. Das nennt man polykristallin.
Einmal werden bei diesem Übergang die anderen Substanzen bewegt und zum anderen ist die Diffusion in diesem Material wesentlich größer.
Also: Zuerst sammelt sich alles an den Staubkörnern an und wenn dann die Staubwolke langsam erwärmt wird, kann es zum großen Get-together kommen und die Molekülbildung findet statt.
Woher weiß man das?
Man kann diese Prozesse im Labor nachstellen. Winzige goldbeschichtete Kupferscheiben mit 13 mm Durchmesser sollen die Oberflächen der Staubteilchen darstellen. Da werden dann im Hochvakuum Schichten aus Wassereis und CO-Eis aufgebracht. Durch Bestrahlung mit IR-Licht und Analyse der Spektren kann der Aufbau der Eisschichten bestimmt werden.
Erhitzt man langsam die Kupferscheibe, so lässt sich der beschriebene Phasenübergang nachweisen.
In einer zweiten Versuchsreihe wurden Kohlendioxidmoleküle CO2 im Eis beigemischt. In der amorphen Phase blieben sie als einzelne Moleküle an ihren Plätzen sitzen. Nach dem Übergang zur polykristallinen Phase konnten größere CO2-Cluster nachgewiesen werden.
Ich finde, das sind bemerkenswerte Ergebnisse, die wichtige Fragen zur Entstehung des Lebens klären könnten.
Abb1: Phasenübergang bringt Atome zusammen, MPIA/NASA
Abb2: Diffusionszeit (rechts sind die Exponenten der Angabe in Jahren angegeben) in Abhängigkeit von Eisdicke (in Monalagen ML) und Temperatur. Aus: Phase transition of interstellar CO ice Jiao He, 1 Francis E. Toriello,2 Shahnewaz M. Emtiaz,2 Thomas Henning,1 and Gianfranco Vidali2 2 3 1Max Planck Institute for Astronomy, Physics Department, Syracuse University, Syracuse, NY 13244, USA 5 Submitted to ApJL
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