Astronomen finden das Schlüsselmolekül Wasserstoffperoxid in interstellaren Wolken.

Rho Ophiuchi wäre eine Goldgrube für Friseure: In dem 400 Lichtjahre entfernten Sternentstehungsgebiet haben Astronomen jetzt erstmals Moleküle von Wasserstoffperoxid nachgewiesen.

Diese Flüssigverbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff wird zum Bleichen von Haaren benutzt. Die Forscher interessiert allerdings etwas anderes: Wie hat sich Wasser, das wohl wichtigste Molekül für die Entstehung von Leben, im Universum gebildet?

Wasserstoffperoxid mit dem Symbol H₂O₂ ist eine vertraute Substanz für Chemiker, aber aufgrund seiner Wirkung ebenso für Reinigungskräfte oder Friseure. Und nun ist dieses aseptisch wirkende Bleichmittel inmitten einer ganzen Reihe von Molekülen zu finden, die man nicht nur auf der Erde, sondern auch im Weltraum nachgewiesen hat.

Farbaufnahme des Sternentstehungsgebiets um den Stern Rho Ophiuchi, etwa 400 Lichtjahre von der Erde entfernt. Mit dem APEX-Teleskop in Chile haben Forscher in dieser Region zum ersten Mal das Molekül Wasserstoffperoxid im Kosmos nachgewiesen. Der Fundort ist durch einen roten Kreis markiert. Rho Ophiuchi ist der helle Stern inmitten der blauen Region im oberen Bildteil. Als hellster Stern im Gesichtsfeld leuchtet der gelblich erscheinende Antares in der unteren Bildhälfte. Rechts davon ist der Kugelsternhaufen Messier 4 sichtbar. [Bildquelle: ESO / S. Guisard]

Das APEX-Teleskop in Chile bei Sonnenuntergang. [Bildquelle: Bérengère Parise]

Für seine Beobachtungen nutzte das internationale Team das Submillimeterteleskop APEX (Atacama Pathfinder Experiment), das gemeinsam vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, dem schwedischen Onsala Space Observatory und der Europäischen Südsternwarte in 5100 Metern Höhe auf der Chajnantor-Ebene in den chilenischen Anden betrieben wird.

In der durchsuchten Region in der Nähe des Sterns Rho Ophiuchi im Sternbild Schlangenträger befinden sich extrem kalte (minus 250 Grad Celsius) und dichte Gas- und Staubwolken, in denen neue Sterne geboren werden. Diese Wolken bestehen überwiegend aus Wasserstoff; darin befinden sich aber auch Spuren anderer chemischer Stoffe. Dadurch sind sie erstklassige Zielorte bei der Jagd nach Molekülen im interstellaren Raum.

Während ihrer Suche in dem Gebiet haben die Astronomen in der Radiostrahlung die charakteristische Signatur von Wasserstoffperoxid identifiziert. „Dieser Nachweis ist ein aufregendes Ergebnis“, sagt Per Bergman, Astronom am schwedischen Onsala Space Observatory. „Wir wussten von Laborexperimenten bereits genau, bei welcher Wellenlänge wir danach suchen mussten, aber die Häufigkeit dieses Moleküls liegt nur bei einem Zehnmilliardstel jener von Wasserstoffmolekülen. Für die Entdeckung solch geringer Spuren waren sehr sorgfältige Messungen erforderlich.“

Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist ein Schlüsselmolekül sowohl für Astronomen wie auch für Chemiker. Seine Entstehung steht in enger Verbindung mit zwei sehr vertrauten Molekülen: Sauerstoff und Wasser. Beide stellen unverzichtbare Voraussetzungen dar für Leben, wie wir es auf der Erde kennen. Da ein überwiegender Anteil des Wassers auf unserer Erde vermutlich im Weltall entstanden ist, sind die Wissenschaftler sehr daran interessiert, zu verstehen, wie dieser Prozess ablief.

Man nimmt an, dass sich Wasserstoffperoxid im Universum auf den Oberflächen von kosmischen Staubkörnern bildet – sehr feinen Partikeln, die Sand oder Ruß ähneln. Dabei wird atomarer Wasserstoff (H) zu Sauerstoffmolekülen (O₂) hinzugefügt. Eine weitere chemische Reaktion des Wasserstoffperoxids mit Wasserstoff kann dann zur Entstehung von Wasser führen (H₂O).

„Wir wissen im Moment noch nicht, wie einige der wichtigsten Molekülarten hier auf der Erde im Weltraum gebildet werden“, sagt Bérengère Parise, die Leiterin der Emmy-Noether-Forschungsgruppe zur Sternentstehung und Astrochemie am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. „Aber unsere Entdeckung von Wasserstoffperoxid dürfte belegen, dass kosmischer Staub die bisher fehlende Zutat in diesem Prozess darstellt.“

Die Ausarbeitung, wie genau die Prozesse zur Entstehung dieser wichtigen Moleküle miteinander in Verbindung gebracht werden können, erfordert weitere Beobachtungen von Rho Ophiuchi und anderen Sternentstehungsgebieten mit zukünftigen Teleskopen wie etwa ALMA (Atacama Large Millimetre Array), das zurzeit ebenfalls auf der Chajnantorebene gebaut wird – und die Unterstützung durch Chemiker in irdischen Laboratorien.

Die Teammitglieder waren Per Bergman (Onsala Space Observatory, Chalmers University of Technology, Onsala, Schweden), Bérengère Parise (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn), Robert Liseau (Chalmers University of Technology, Onsala, Schweden), Bengt Larsson (Stockholm University, Schweden), Hans Olofsson (Onsala Space Observatory, Chalmers University of Technology, Onsala, Schweden), Karl M. Menten und Rolf Güsten (beide Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn).

Das Atacama Pathfinder Experiment (APEX) ist ein gemeinsames Projekt des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) mit dem Onsala Space Observatory (OSO) und der Europäischen Südsternwarte (ESO). Es dient dem Bau und Betrieb einer modifizierten Prototyp-Antenne von ALMA (Atacama Large Millimetre Array) als Einzelteleskop auf einem in 5100 Metern Höhe über dem Meeresspiegel gelegenen Standort in der Chajnantor-Ebene (Atacama-Wüste, Chile). Das Teleskop wurde von der VERTEX-Antennentechnik in Duisburg gebaut. Der Betrieb des Teleskops erfolgt durch die ESO.

Das Emmy-Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) möchte jungen Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftlern einen Weg zu früher wissenschaftlicher Selbstständigkeit eröffnen. Promovierte Forscherinnen und Forscher erwerben durch eine in der Regel fünfjährige Förderung die Befähigung zum Hochschullehrer durch die Leitung einer eigenen Nachwuchsgruppe.

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Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie:

Wasserstoffperoxid im Weltraum entdeckt

Astronomen haben mithilfe des APEX-Teleskopes, das von der ESO in Chile betrieben wird, erstmals Wasserstoffperoxidmoleküle im interstellaren Raum nachweisen können. Damit konnte erstmals ein Anhaltspunkt für die chemische Kopplung zwischen zwei Verbindungen gefunden werden, die essentiell für das Leben im Universum sind, nämlich Wasser und Sauerstoff. Auf der Erde ist Wasserstoffperoxid hauptsächlich als Desinfektionsmittel und als Bleiche zum Blondieren bekannt. Es spielt aber auch eine entscheidende Rolle bei den chemischen Reaktionen von Wasser und Ozon in der Erdatmosphäre.

Das neue Ergebnis geht auf die Arbeit eines international besetzten Astronomenteams zurück, das Beobachtungen mit dem „Atacama Pathfinder Experiment“-Teleskop APEX durchgeführt hat. APEX befindet sich auf der 5000 Meter über dem Meeresspiegel gelegenen Hochebene Chajnantor in den chilenischen Anden. Die Astronomen haben das Teleskop verwendet um eine Himmelsregion nahe des Sterns Rho Ophiuchi, der sich in etwa 400 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Schlangenträger in unserer Milchstraße befindet, genauer zu untersuchen. Die Umgebung des Sterns ist reich an Wolken aus kühlem Gas und Staub mit Temperaturen um die -250°C, in denen neue Sterne entstehen. Das Nebelgebiet besteht größtenteils aus molekularem Wasserstoff, enthält aber auch Spuren von anderen Molekülen. Es bietet sich daher als Beobachtungsziel für Astronomen an, die auf der Suche nach bestimmten chemischen Verbindungen im Weltraum sind. Teleskope wie APEX, die nicht im sichtbaren Licht arbeiten sondern Millimeter- und Submillimeterwellen registrieren, sind ideal, um charakteristische Signale der verschiedensten Sorten von Molekülen nachzuweisen.

Jetzt ist den Wissenschaftlern der Nachweis von Submillimeterwellen mit der charakteristischen Signatur von Wasserstoffperoxid aus einem Bereich der Nebel um Rho Ophiuchi gelungen.

“Die Entdeckung des Signals von Wasserstoffperoxid mit APEX war für uns ein freudiges Ereignis. Aus Laborexperimenten wussten wir zwar, bei welchen Wellenlängen wir suchen mussten, aber die Wolken enthalten nur ein einziges Wasserstoffperoxidmolekül auf 10 Milliarden Wasserstoffmoleküle. Ein Nachweis erfordert daher äußerst präzise Messungen”, erzählt Per Bergman, Astronom am Weltraumobservatorium Onsala in Schweden. Bergman ist der Erstautor der Studie, in der die Entdeckung beschrieben wird und die vor Kurzem in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen ist.

Wasserstoffperoxid, das aus Wasserstoff- und Sauerstoffatomen besteht (chemische Summenformel H₂O₂) spielt eine Schlüsselrolle bei der Frage, wie in den Tiefen des Alls Wasser entstehen kann – und damit die Grundlage für Leben, wie wir es kennen. Auch der größte Teil des Wassers, das wir heutzutage auf der Erde finden, dürfte sich im Weltraum gebildet haben. - Die Entdeckung von Wasserstoffperoxid könnte den Astronomen auch bei der Lösung des Rätsels helfen, warum Sauerstoffmoleküle im Weltall nur schwer zu finden sind. Erst 2007 konnte man kosmische Sauerstoffmoleküle mithilfe des Satelliten Odin nachweisen.

Den aktuellen Modellen zufolge bildet sich Wasser in mehreren Schritten. Im ersten Schritt bildet sich an der Oberfläche von kosmischen Staubkörnern und Rußpartikeln durch Anlagerung von Wasserstoff (H) an Sauerstoffmolekülen (O₂) Wasserstoffperoxid. Im nächsten Schritt entsteht aus dem Wasserstoffperoxid und weiterem Wasserstoff dann Wasser (H₂O). Der Nachweis von Wasserstoffperoxid bestätigt einen zentralen Aspekt dieser Modelle und trägt damit zu einem besseren Verständnis der Entstehung von Wasser im Kosmos bei.

“Wir wissen immer noch nicht, wie sich einige der wichtigsten chemischen Verbindungen auf der Erde im Weltraum bilden. Unsere Entdeckung von Wasserstoffperoxid weist darauf hin, dass dabei das Vorhandensein von Staubpartikeln entscheidend ist”, ergänzt Bérengère Parise, Leiterin der Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe für Sternentstehung und Astrochemie am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und Koautorin der Veröffentlichung.

Um herauszufinden, wie die Entstehung der für unser irdisches Leben so wichtigen Moleküle, Wasser und Wasserstoffperoxid, miteinander zusammenhängen, sind weitere Beobachtungen der Nebel um Rho Ophiuchi und anderer Molekülwolken, in denen Sterne entstehen. Dabei müssen künftige Teleskopen wie das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) eingesetzt werden – und es bedarf der Unterstützung von Chemikern in ihren Laboren auf der Erde.