Paradox: Kälte beschleunigt Chemie im All

Sterne eingebettet in diffuse Strukturen
NGC 1333 in der Perseus-Wolke

Im Weltall können Moleküle über chemische Reaktionen entstehen, die unter irdischen Bedingungen als unmöglich gelten. Ursache dafür ist ein Phänomen aus der Quantenphysik, der so genannte Tunneleffekt. Wie Forscher der Universität Leeds (UK) zeigen, können zwei Moleküle in der Kälte des Alls auf diesem Weg eine klassisch unüberwindliche Abstoßung „durchtunneln“ und sich zu einem neuen Stoff verbinden. Die Wissenschaftler berichten im Fachblatt „Nature Chemistry“, dass beispielsweise die Entstehung des Radikals Methoxy im kalten Weltraum 50-mal schneller abläuft als bei normaler Raumtemperatur.

„Ein grundlegendes Gesetz der Chemie besagt, dass chemische Reaktionen mit abnehmender Temperatur immer langsamer ablaufen“, erklärt Teamleiter Dwayne Heard von der University of Leeds. Die Entdeckung komplexer organischer Moleküle im Weltall stellte die Astrophysiker deshalb vor ein Problem: Wie können diese Substanzen bei den extrem niedrigen Temperaturen entstehen? Die Lösung ist kosmischer Staub. Moleküle, so die Überlegung, docken an die Oberfläche winziger Staubkörnchen an und bleiben dort lange genug haften, um mit benachbarten Molekülen trotz niedriger Temperaturen zu reagieren.

Für viele der entdeckten Stoffe funktioniert dieses Szenario, wie Laborexperimente zeigen. Doch im vergangenen Jahr entdeckten Astronomen in der 600 Lichtjahre entfernten Perseus-Molekülwolke das aus einem Sauerstoff-, einem Kohlenstoff- und drei Wasserstoff-Atomen bestehende Radikal Methoxy. Die Forscher fanden keinen Weg, Methoxy an der Oberfläche eines Staubkorns zu produzieren. Methoxy könnte jedoch aus Methanol und Hydroxyl entstehen, zwei Molekülen, die im All häufig vorkommen. Doch woher sollten die Moleküle im kalten Weltall die Energie nehmen, ihre abstoßende Barriere zu überwinden?

„Die Antwort liegt in der Quantenmechanik“, so Heard. „In der Quantenwelt ist es möglich, eine Barriere nicht zu überwinden, sondern durch sie hindurch zu tunneln.“ Bei normalen Raumtemperaturen tritt dieser Effekt nicht auf, da die Moleküle sich zu schnell bewegen. „Bei niedrigen Temperaturen dagegen bleiben sie lange genug nahe beieinander, um den Tunneleffekt zu ermöglichen.“ Heard und seinen Kollegen gelang es, die Reaktion im Labor bei einer Temperatur von minus 210 Grad Celsius nachzuweisen. Das ist eine Temperatur, die durchaus typisch für Molekülwolken im All ist. Das Team will nun auch die Reaktionen anderer Stoffe unter diesen Bedingungen mit besonderem Blick auf den Tunneleffekt untersuchen. „Möglicherweise“, so der Forscher, „haben wir die die Reaktionsraten für komplexe Moleküle im Weltall bislang erheblich unterschätzt.“