Einfangen von Elektronen im Raum | EurêkAlert! Wissenschaftliche Nachrichten

Interstellare Wolken sind der Geburtsort neuer Sterne, aber sie spielen auch eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens im Universum durch Regionen aus Staub und Gas, in denen sich chemische Verbindungen bilden. Die Forschungsgruppe Molekulare Systeme unter der Leitung von ERC-Preisträger Roland Wester vom Institut für Ionische Physik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck hat sich zum Ziel gesetzt, die Entwicklung elementarer Moleküle im Weltraum besser zu verstehen. „Unsere Ionenfalle ermöglicht es uns, vereinfacht gesagt, die Bedingungen des Weltraums in unserem Labor nachzubilden“, sagt Roland Wester. „Mit diesem Gerät können wir die Bildung chemischer Verbindungen im Detail untersuchen.“ Wissenschaftler um Roland Wester haben nun eine Erklärung für die Entstehung negativ geladener Moleküle im Weltraum gefunden.

Vor der Entdeckung der ersten negativ geladenen Kohlenstoffmoleküle im Weltraum im Jahr 2006 ging man davon aus, dass interstellare Wolken nur positiv geladene Ionen enthalten. Seitdem ist die Frage offen geblieben, wie negativ geladene Ionen entstehen. Der italienische Theoretiker Franco A. Gianturco, der seit acht Jahren als Wissenschaftler an der Universität Innsbruck tätig ist, hat vor einigen Jahren einen theoretischen Rahmen entwickelt, der eine mögliche Erklärung liefern könnte. Die Existenz schwach gebundener Zustände, genannt Dipol-gebundene Zustände, sollte die Bindung freier Elektronen an lineare Moleküle verbessern. Solche Moleküle haben ein permanentes Dipolmoment, das die Wechselwirkung in relativ großer Entfernung vom neutralen Kern verstärkt und die Einfangrate freier Elektronen erhöht.

Innsbrucker Physiker haben in ihrem Experiment Moleküle aus drei Kohlenstoffatomen und einem Stickstoffatom hergestellt, ionisiert und in der Ionenfalle bei extrem niedrigen Temperaturen mit Laserlicht beschossen. Sie änderten ständig die Frequenz des Lichts, bis die Energie groß genug war, um ein Elektron aus dem Molekül auszustoßen. Albert Einstein hat diesen sogenannten photoelektrischen Effekt vor 100 Jahren beschrieben. Eine eingehende Analyse der Messdaten durch den Nachwuchsforscher Malcolm Simpson vom Doktorandenkolleg Atoms, Light and Molecules der Universität Innsbruck brachte endlich Licht in dieses schwer zu beobachtende Phänomen. Ein Vergleich der Daten mit einem theoretischen Modell lieferte schließlich einen klaren Beweis für die Existenz dipolgebundener Zustände. „Unsere Interpretation ist, dass diese dipolgebundenen Zustände eine Art Toröffnung für die Bindung freier Elektronen an Moleküle darstellen und damit zur Entstehung negativer Ionen im Weltraum beitragen“, erklärt Roland Wester. „Ohne diesen Zwischenschritt wäre es sehr unwahrscheinlich, dass die Elektronen tatsächlich an die Moleküle binden.“

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Die Arbeit wurde vom Wissenschaftsfonds FWF unterstützt, der auch das Doktorandenprogramm Atoms, Light and Molecules (ALM) an der Universität Innsbruck fördert.

Publikation: Einfluss eines überkritischen elektrischen Dipolmoments auf die C3N-Photoablösung. Malcolm Simpson, Markus Nötzold, Tim Michaelsen, Robert Wild, Franco A. Gianturco und Roland Wester. Phys. Rev. Lette. 127, 043001, https: //Zeitschriften.aps.Organisation /prl /abstrakt/zehn.1103 /PhysRevLett.127.043001