Die Entdeckung des Moleküls Si-C-Si im All

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Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

Eine tiefe optische Aufnahme des Kohlenstoffsterns CW Leo mit Spuren der umgebenden Hülle. Das wichtige, Staub bildende Molekül Si-C-Si (Disiliziumcarbid) ist im All nach Jahrzehnten der Spekulation und Suche in der Hülle dieser Quelle entdeckt worden. Izan Leao; the Very Large Telescope

 

Der Raum zwischen den Sternen ist nicht leer – er enthält einen gewaltigen Vorrat an diffusem Material, das etwa 5-10% der Gesamtmasse unserer Milchstraße ausmacht. Das meiste davon ist Gas, nur etwa 1% dieser Masse (in astronomischem Sinn recht viel) liegt in Form von winzigen Staubkörnchen vor, die überwiegend aus Silikaten (auch Sand ist ein Silikat) bestehen, obwohl die Körner auch aus Kohlenstoff und anderen Elementen aufgebaut sein können. Die Staubkörner enthalten einen großen Anteil an vielen wichtigen Elementen im Universum wie Silizium, Kohlenstoff und Eisen und spielen auch einige entscheidende, wichtige Rollen. Sie sind für die im interstellaren Medium ablaufende Chemie unerläßlich, da sie den Gasmolekülen eine Oberfläche bereitstellen, auf denen sie mit anderen Molekülen reagieren können. Staubkörner absorbieren ultraviolettes und sichtbares Licht, geben diese Energie in Form von infrarotem Licht wieder ab und schränken dadurch zum einen ein, was Astronomen sehen können, zum anderen steuern sie einen Großteil des Energiegleichgewichts im interstellaren Medium. Nicht zuletzt können Staubkörner in den frühen Stadien der Entwicklung eines Sterns zu großen Klumpen verkleben – der erste Schritt zur Bildung eines Planeten.

Woher kommt all dieser Staub? Interstellare Körner entstehen hauptsächlich in zwei Quellen: in Sternwinden einer besonderen Klasse entwickelter Sterne und in Materieauswürfen von Supernovae. Die Körner bilden sich aus molekularem Saatgut. In entwickelten Sternen könnte solches Saatgut aus Molekülen wie TiO, VO, ZrO, C2, CN oder C3 bestehen, Teilchen, die man seit 100 Jahren kennt; auch Supernovae haben zahlreiche mögliche Elemente für den Kornaufbau. Da das Kohlenmonoxid-Molekül (CO) sehr stabil ist, verbraucht es fast den gesamten Kohlen- oder Sauerstoff (welcher auch immer zufällig in geringerer Menge vorliegt). Wenn also Sauerstoff in geringerer Menge als Kohlenstoff vorliegt, bleibt etwas Kohlenstoff über und ist für die Körner verfügbar. Kohlenstoffreiche Sterne sind Sterne, die einen Überschuß an Kohlenstoff besitzen. Der Staub bildet sich aus Keimen, die wachsen, wenn sich daran Moleküle über eine Vielzahl an Schritten absetzen, die noch immer ziemlich rätselhaft sind – nicht zuletzt der erste Schritt, die Bildung des keimbildenden Saatguts ist ein Mysterium.

Als möglicher Keim ist das Molekül Si-C-Si (Disiliziumcarbid) vorausgesagt worden, aber es ist im All nie nachgewiesen worden. Man hat vergleichbare Moleküle wie Si-C-C (SiC2) gefunden und auch SiC-Moleküle sowie Körnchen aus SiC sind bekannt und so hat man viele Jahrzehnte nach Disiliziumcarbid gesucht. Nun hat eine Gruppe von sechzehn Astronomen, darunter Mike McCarthy, Carl Gottlieb, Nimesh Patel, N. Reilly und Ken Young vom CfA, die Messung von 112 Übergängen des Disiliziumcarbids in der ausgedehnten Atmosphäre des fortgeschrittenen, kohlenstoffreichen Sterns CW Leo bekannt gegeben. Ihr Erfolg ist größtenteils auf eigene, neue Labormessungen zurückzuführen, die genauere Werte für die Linienfrequenzen ergaben. Dann suchte das Team mit dem Submillimeter Array und dem IRAM-Submillimeterteleskop bei CW Leo, der schon als Ort für eine reiche Familie an kohlenstoffhaltigen Molekülen bekannt war, nach Disiliziumcarbid.

Die Beobachtungen von Disiliziumcarbid sind in guter (allerdings nicht in perfekter) Übereinstimmung mit den Annahmen chemischer Modelle, verleihen der Theorie Glaubwürdigkeit, aber lenkt die Aufmerksamkeit auf einige notwendige Verbesserungen für das Modell der Quelle. Si2C ist in dieser Quelle etwa 10-mal seltener als sein Verwandter SiC2. Man vermutet, daß diese beiden Moleküle die häufigsten Silizium-Kohlenstoff-Verbindungen sind, die in dem Teil der stellaren Umgebung vorkommen, in dem der Staub entsteht und sie spielen mit Sicherheit eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Staubkörnchen.

Literatur:
„Discovery of SiCSi in IRC+10216: A missing link between gas and dust carriers of Si-C bonds“
J. Cernicharo, M. C. McCarthy, C. A. Gottlieb, M. Agúndez, L. Velilla Prieto, J. H., Baraban, P. B. Changala, M. Guélin, C. Kahane, M. A. Martin-Drumel, N. A. Patel, N. J. Reilly, J. F. Stanton, G. Quintana-Lacaci, S. Thorwirth, and K. H. Young
The Astrophysical Journal Letters, 806:L3 (6pp), 2015 June 10