Interstellare Spektroskopie

Die astronomische Spektroskopie des interstellaren Mediums hat die Identifizierung von mehr als 160 Molekülarten ermöglicht. Diese Messungen beruhen in hohem Maße auf laborgestützten Spektralvorhersagen (1). Im Infraroten sind mehrere der Spektralbanden, die in den Spektren vieler Teile der Milchstraße und anderswo im interstellaren Raum zu sehen sind, noch nicht identifiziert, was ein interessantes Forschungsgebiet darstellt. Zu den untersuchten Modellsystemen gehören polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die nach einer thermischen Behandlung ähnliche Spektralbanden wie die astronomischen Spektren aufweisen. Es wurde auch vermutet, dass die Mischung von PAK und anderen aliphatischen/olefinischen Verbindungen zu Spektralsignalen führt, die denen von Kohle- und Petroleumfraktionen recht ähnlich sind (2,3).
Die Infrarotspektroskopie im Labor ist deshalb ein wichtiges Instrument zur Untersuchung der Infrarotemissionen, die bei astronomischen Beobachtungen gemessen werden. Durch die Untersuchung von Modellsystemen hier auf der Erde sind Astrophysiker in der Lage, die Mechanismen zu identifizieren, durch welche die in den fernen Staub- und Gaswolken der Galaxien detektierbaren Verbindungen entstehen.
Von Interesse ist auch interstellarer Staub. Feste Materie spielt nach Ansicht von Jäger et al. eine wichtige Rolle als Katalysator bei der Erzeugung vieler Moleküle, von denen man heute annimmt, dass sie im interstellaren Medium vorhanden sind (4). Ihre Arbeit konzentrierte sich auf die Charakterisierung kosmischer Staubanaloga (CDAs) mittels einer Reihe spektroskopischer Techniken – einschließlich Infrarot – mit dem Ziel, Datenbanken mit dielektrischen Funktionen zu erstellen, die die Identifizierung astronomischer Staubarten erleichtern. Für diese Arbeit wurde die Specac Hochdruck/Hochtemperatur-Zelle verwendet, mit der Reflexionsspektren der CDAs bei Temperaturen von bis zu 973 K (700 °C) aufgenommen werden können.

Vinogradoff et al. haben die Entstehung von kohlenstoffhaltigen Chondriten (eine besondere Form der Steinmeteorite, die etwa 2-3 % der bisher gefundenen Meteoriten ausmacht). Sie enthalten einen hohen Anteil an Kohlenstoff (bis zu 3 %), der in Form von Graphit, Karbonaten und organischen Verbindungen, darunter Aminosäuren, vorliegt. Es wird vermutet, dass der organische Gehalt dieser Minerale während des Akkretionsprozesses, aus dem die Asteroiden entstanden sind, verändert wurde. Um dies zu untersuchen, wurde die Verbindung Hexamethylentetatramin (HMT) asteroidalen hydrothermalen Bedingungen bei 150 °C für eine Dauer von bis zu 31 Tagen unterworfen, woraufhin die verschiedenen gebildeten Verbindungen charakterisiert wurden (5). In der Studie wurde die Infrarotspektroskopie zur Charakterisierung der unter diesen Bedingungen entstandenen unlöslichen organischen Stoffe (IOM) eingesetzt, zusammen mit Elementanalysen und Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (XANES). ATR-FTIR-Spektren von IOM-Proben aus dem
Experiment wurden mit einem Specac Quest Diamant-ATR-Zubehör aufgezeichnet. Es zeigte sich, dass sich die IOM in Experimenten, die länger als sieben Tage dauern, bilden. Danach ist deren Gehalt relativ stabil und stickstoffreiche Imine, sauerstoffreiche Ketone, Phenole, Carboxyle und Hydroxyle können nachgewiesen werden.
Die Vermutung, dass nicht identifizierte Infrarotemissionen zu einem auf Petroleum und Kohle basierenden Modell passen könnten, wurde von Cataldo et al. (3) untersucht (hauptsächlich auf der Grundlage ihrer eigenen früheren Arbeiten), und zwar neben dem Modell der gemischten aromatischen/aliphatischen organischen Nanopartikel (MAON) und dem Kohlenstoffbogenmodell, bei dem einfache Materialien in komplexere Fullerene und Fullerane umgewandelt werden können. Die Infrarotspektren aller potenziellen Substrate wurden bei Temperaturen im Bereich von -180 °C bis +50 °C (bzw. +250 °C im Falle der Kohle) mit der Specac-Zelle mit variabler Temperatur aufgenommen. Sie kommen zu dem Schluss, dass das MAON-Modell die Petroleum- und Kohlemodelle gut abdeckt und mit diesen vereinheitlicht werden kann, da die thermische und strahlungsbedingte Behandlung von MAON-ähnlichen Molekülen zur Entstehung von kohlenstoffhaltigen Spezies, mit ähnlichen Eigenschaften wie Kohle- und Petroleumfraktionen, führt.

(1) NIST. Spektroskopische Identifizierung von interstellaren Molekülen. www.nist.gov/pml/sensor-science/optical-radiation/spectroscopic-identification-interstellar-molecules (2014).
(2) Yang, X., Glaser, R., Li, A. & Zhong, J. X. The Carriers of the 'Unidentified' Infrared Emission Features: Clues from Polycyclic Aromatic Hydrocarbons with Aliphatic Sidegroups. (2017) doi:10.1016/j.newar.2017.01.001.
(3) Cataldo, F., Garcia-Hernandez, D. A. & Manchado, A. Petroleum, coal and other organics in space. (2020).
(4) Jäger, C. et al. Recent Results of Solid-State Spectroscopy. (2012) doi:10.1017/S1743921311025166.
(5) Vinogradoff, V., Bernard, S., Le Guillou, C. & Remusat, L. Evolution of interstellar organic compounds under asteroidal hydrothermal conditions. Icarus 305, 358-370 (2018).

 

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