Ein jüngster wissenschaftlicher Durchbruch hat unser Verständnis der primordialen Chemie des Universums und der Entstehung seiner ersten Sterne grundlegend neu geformt. Forschende haben erfolgreich die Bedingungen des frühen Kosmos nachgebildet und so die Synthese der ersten Moleküle des Universums ermöglicht. Diese beispiellose experimentelle Validierung stellt langjährige Annahmen über die Effizienz chemischer Reaktionen im jungen Universum in Frage, insbesondere jene, die Heliumhydrid-Ionen betreffen, und deutet auf einen dynamischeren Prozess für die Entstehung von Himmelskörpern hin, als bisher angenommen.
- Nachbildung der Bedingungen des frühen Kosmos in Laborexperimenten.
- Synthese der ersten Moleküle des Universums gelang erstmals.
- Bestehende Annahmen zur Effizienz chemischer Reaktionen im frühen Universum werden in Frage gestellt.
- Die Rolle von Heliumhydrid-Ionen (HeH+) wird neu bewertet.
- Ein dynamischerer Prozess für die Entstehung von Sternen wird vorgeschlagen.
Vor etwa 13,8 Milliarden Jahren, nach dem Urknall, kühlte sich das Universum rasch ab. Innerhalb von Sekunden sanken die Temperaturen ausreichend für die Bildung von Wasserstoff und Helium, den ersten Elementen des Universums. Hunderttausende von Jahren später ermöglichte eine weitere Abkühlung die Verbindung der Atome dieser Elemente mit Elektronen, wodurch Moleküle entstanden. Der wissenschaftliche Konsens hat das Heliumhydrid-Ion (HeH+) als das allererste Molekül identifiziert, einen lebenswichtigen Vorläufer für die spätere Bildung von molekularem Wasserstoff, der heute das häufigste Molekül im Kosmos ist.
Sowohl Heliumhydrid-Ionen als auch molekularer Wasserstoff waren entscheidend für die Entwicklung der ersten Sterne, die Hunderte von Millionen Jahren nach dem Urknall entstanden. Damit ein Protostern die Fusion – den Prozess, der Sterne antreibt – einleiten kann, müssen Atome und Moleküle in ihm kollidieren und dabei Wärme freisetzen. Während dieser Prozess unter 18.000 Grad Fahrenheit (10.000 Grad Celsius) im Allgemeinen ineffizient ist, zeigen Heliumhydrid-Ionen eine einzigartige Fähigkeit, diesen Prozess selbst bei deutlich niedrigeren Temperaturen zu erleichtern, was sie zu einem potenziell entscheidenden Faktor bei der frühen Sternentstehung macht.
Die Chemie des frühen Universums neu bewerten
Die Bedeutung von HeH+ für die frühe Sternentstehung wurde durch eine neue Forschungsarbeit untermauert, die am 24. Juli in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics veröffentlicht wurde. In dieser Studie stellten Wissenschaftler sorgfältig frühe Heliumhydrid-Reaktionen nach. Indem sie Ionen bei extremen minus 449 Grad Fahrenheit (minus 267 Grad Celsius) bis zu 60 Sekunden lang lagerten, kühlten sie diese ab, bevor sie Kollisionen mit schwerem Wasserstoff auslösten. Die Forschenden analysierten dann, wie diese Kollisionen, die den die stellare Fusion auslösenden Kollisionen ähneln, mit der Partikeltemperatur variierten.
Entscheidend ist, dass das Experiment zeigte, dass die Reaktionsraten zwischen diesen Partikeln bei niedrigeren Temperaturen nicht abnehmen, was früheren theoretischen Modellen direkt widerspricht. Holger Kreckel, Kernphysiker am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Deutschland und Mitautor der Studie, bemerkte: „Frühere Theorien sagten eine signifikante Abnahme der Reaktionswahrscheinlichkeit bei niedrigen Temperaturen voraus, doch wir konnten dies weder im Experiment noch in neuen theoretischen Berechnungen bestätigen.“ Dieses Ergebnis erfordert eine Neubewertung der Heliumchemie im frühen Universum, was darauf hindeutet, dass Reaktionen mit Heliumhydrid-Ionen „weit wichtiger für die Chemie im frühen Universum waren, als bisher angenommen“, so Kreckel. Dieses überarbeitete Verständnis hat tiefgreifende Auswirkungen auf astrophysikalische Modelle, die den Beginn der kosmischen Strukturbildung darstellen.