Organische Moleküle im Orion-Nebel

Herschel, das Satelliten-Observatorium der europäischen Raumfahrtagentur ESA, hat die spektralen Fingerabdrücke einer Reihe organischer Moleküle im Orion-Nebel, einer der nächstgelegenen Sternentstehungsregionen in unserer Milchstraße, aufgenommen. Das detaillierte Spektrum wurde mit einem der drei neuartigen Empfangsinstrumente an Bord von Herschel, dem „Heterodyn-Instrument für den FernInfrarotbereich“ (HIFI), im Februar 2010 beobachtet. Es bietet einen reichen Schatz an Informationen darüber, wie sich organische Moleküle im Weltraum bilden. Am Bau von HIFI waren drei deutsche Institute maßgeblich beteiligt: die Universität zu Köln und die beiden Max Planck-Institute für Radioastronomie in Bonn und für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau.

Das HIFI-Spektrum des Orion-Nebels ist eines der ersten Spektren die mit HIFI gewonnen wurden. Es zeigt eine große Fülle einzelner Strukturen, die einen ganzen Wald von Spektrallinien bilden. Jede dieser Linien steht für die Strahlung eines ganz bestimmten Moleküls in diesem Gasnebel, der als eine der produktivsten chemischen Fabriken im Weltraum gilt. Die einzelnen Schritte, die zur Bildung der Moleküle führen, sind allerdings noch nicht sehr gut verstanden. Bei der ersten Durchsicht des Orion-Spektrums ist es den Astronomen gelungen, bereits eine Reihe der Linien, die sich durch das ganze Spektrum ziehen, bekannten Molekülen zuzuordnen. Die Identifikation weiterer Linien ist in Arbeit.

Eine Besonderheit im Spektrum des Orion-Nebels ist seine Reichhaltigkeit: unter den identifizierten organischen Molekülen finden sich Wasser, Kohlenmonoxid, Formaldehyd, Methanol, Dimethyläther, Zyanwasserstoff, Schwefeloxid und Schwefeldioxid nebst einer Reihe von Isotopomeren. Es steht zu erwarten, dass auch bisher im Weltraum nicht nachgewiesene Moleküle im Spektrum gefunden werden.

„Dieses HIFI-Spektrum, und viele weitere, die folgen werden, bieten eine Vielfalt von Informationen darüber, wie sich organische Moleküle in einem Gebiet aktiver Sternentstehung bilden. Alles deutet darauf hin, dass wir ein tieferes Verständnis der chemischen Vorgänge im Weltraum erhalten sobald wir über die vollständigen spektralen Daten verfügen“, sagt Edwin Bergin von der Universität Michigan, der Leiter des HEXOS-Projekts, in dessen Rahmen das Sternentstehungsgebiet im Sternbild Orion mit HIFI untersucht wird.

Das Spektrum des Orion-Nebels wurde im Februar 2010 gemessen, nur einen Monat nachdem die regulären Messungen mit HIFI auf dem Herschel-Satelliten begonnen haben.

HIFI wurde entwickelt, um Spektren mit extrem hoher Auflösung zu erhalten und einen neuen Wellenlängenbereich im Ferninfraroten für spektrale Untersuchungen zugänglich zu machen, der für bodengebundene Teleskope unerreichbar bleibt. „Es ist schon erstaunlich, zu sehen, wie gut HIFI arbeitet“, sagt Frank Helmich vom „Netherlands Institute for Space Research“ (SRON), Projektleiter („Principal Investigator“) von HIFI. „Wir haben dieses Spektrum mit nur ein paar Stunden Messzeit erhalten und es schlägt bereits alles, was wir aus anderen Wellenlängenbereichen kennen. Organische Moleküle sind überall in diesem Spektrum, und wir finden sie selbst bis hinunter zu schwächsten Spektrallinien – das zeigt die Genauigkeit von HIFI. Die Entwicklung des Instruments hat acht Jahre gebraucht, aber die Wartezeit hat sich gelohnt!“

Die Zuordnung der zahlreichen Spektrallinien im Orion-Spektrum zu Linienübergängen bestimmter Moleküle erfordert ausgefeilte Werkzeuge wie z.B. die Kölner Datenbank für Molekülspektroskopie (CDMS), in der die Labordaten von Hunderten von Molekülen und präzise Linienvorhersagen zusammengestellt sind. „Die hohe spektrale Auflösung von HIFI zeigt die atemberaubende Fülle an Molekülen, die trotz der unwirtlichen Bedingungen mit den Geburtsstätten von Sternen und Planeten einher geht“, kommentiert Jürgen Stutzki, ebenfalls HIFI-Projektleiter („co-principal investigator“) von der Universität zu Köln.

Der Herschel-Satellit ist eines der Schlüsselprojekte (“cornerstone missions”) der Europäischen Weltraumagentur ESA mit wissenschaftlichen Instrumenten, die von unterschiedlichen Konsortien europäischer Institute und der NASA entwickelt wurden. Eines der drei Instrumente ist HIFI, das Heterodyn-Instrument für den FernInfrarotbereich, ein überaus empfindliches Spektrometer für Beobachtungen bei Ferninfrarot-Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums. Deutsche Forschungsinstitute haben einige der entscheidenden Komponenten zu HIFI beigetragen. Dazu gehören der Lokaloszillator, der am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn gebaut wurde, sowie supraleitende Empfänger mit Empfindlichkeiten nahe an der fundamentalen Grenze, dem Quantenrauschen. Diese Empfänger, die an der Universität zu Köln gebaut wurden, übertragen die aus der klassischen Radiotechnik bekannte Heterodyn-Mischertechnik in einen um vier Größenordnungen höheren Frequenzbereich im Ferninfrarot. Eine weitere Schlüsselkomponente des HIFI-Empfängers ist ein Akusto-Optisches Spektrometer (AOS), das von der Universität zu Köln in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau gebaut wurde. Das HIFI-Instrument wurde in internationaler Zusammenarbeit von 25 Instituten aus 13 verschiedenen Ländern erstellt, unter der Leitung des Instituts für Weltraumforschung (SRON) in Groningen/Niederlande.

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