Das von der europäischen Weltraumorganisation ESA betriebene Weltraumobservatorium Herschel konnte im Orion-Nebel eine Vielzahl von organischen Molekülen nachweisen. Die entsprechenden Spektrallinien wurden mit dem Heterodyn-Instrument für den Fern-Infrarotbereich (HIFI) aufgezeichnet.
Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.
(Bild: ESA, HEXOS, HIFI-Konsortium ( E. Bergin))
Das Weltraumteleskop Herschel ist eines der Schlüsselprojekte, eine sogenannte „cornerstone mission“ der europäischen Weltraumorganisation ESA. Die wissenschaftlichen Instrumente wurden von unterschiedlichen Konsortien europäischer Institute und der NASA entwickelt. Eines der drei Instrumente ist HIFI, das Heterodyn-Instrument für den Fern-Infrarotbereich. Hierbei handelt es sich um ein überaus empfindliches Spektrometer für Beobachtungen bei Ferninfrarot-Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums. Bereits im Februar 2010, nur einen Monat, nachdem die regulären Messungen mit HIFI aufgenommen wurden, hat dieses Instrument die spektralen Fingerabdrücke einer ganzen Reihe organischer Moleküle im Orion-Nebel, einer der nächstgelegenen Sternentstehungsregionen in unserer Milchstraße, aufgenommen. Laut der an der Mission beteiligten Wissenschaftler bietet es einen reichhaltigen Schatz an Informationen darüber, wie sich organische Moleküle im Weltraum bilden.
Bei der Aufnahme des Orion-Nebels handelt es sich um eines der ersten Spektren, welche mit HIFI gewonnen werden konnten. Es zeigt eine große Anzahl einzelner Strukturen, die einen ganzen Wald von Spektrallinien bilden. Jede dieser Linien steht für die Strahlung eines ganz bestimmten Moleküls in diesem auch unter der Bezeichnung M 42 bekannten Gasnebel, welcher als eine der produktivsten chemischen Fabriken in der Umgebung unseres Sonnensystems gilt. Seit der ersten Durchsicht des Orion-Spektrums ist es den auswertenden Astronomen bereits gelungen, eine Reihe der Linien, welche sich durch das gesamte Spektrum ziehen, bekannten Molekülen zuzuordnen. An der Identifikation weiterer Linien wird gearbeitet. Die einzelnen Schritte, welche für die Bildung der Moleküle notwendig sind, sind bisher allerdings noch nicht sehr gut verstanden.
Eine Besonderheit im untersuchten Spektrum des Orion-Nebels stellt dessen Reichhaltigkeit dar. Unter den bisher identifizierten Molekülen finden sich Wasser, Kohlenmonoxid, Formaldehyd, Methanol, Dimethyläther, Zyanwasserstoff, Schwefeloxid, Schwefeldioxid sowie eine Reihe von weiteren organischen Molekülen, den sogenannten Isotopomeren. Die Wissenschaftler erwarten, dass bei der weiteren Analyse auch bisher nicht im Weltraum nachgewiesene organische Moleküle in diesem Spektrum gefunden werden.
„Dieses HIFI-Spektrum, und viele weitere, die folgen werden, bieten eine Vielfalt von Informationen darüber, wie sich organische Moleküle in einem Gebiet aktiver Sternentstehung bilden. Alles deutet darauf hin, dass wir ein tieferes Verständnis der chemischen Vorgänge im Weltraum erhalten, sobald wir über die vollständigen spektralen Daten verfügen“, so Edwin Bergin von der Universität Michigan, dem Leiter des HEXOS-Projekts, in dessen Rahmen das Sternentstehungsgebiet im Sternbild Orion mit HIFI untersucht wird.
(Bild: ESA / AOES Medialab)
HIFI wurde ursprünglich speziell dazu entwickelt, um Spektren mit extrem hoher Auflösung zu erhalten und dabei einen neuen Wellenlängenbereich im Ferninfraroten für spektrale Untersuchungen zugänglich zu machen, welcher für bodengebundene Teleskope nicht erreichbar ist. „Es ist schon erstaunlich, zu sehen, wie gut HIFI arbeitet“, so der für HIFI verantwortliche Projektleiter Frank Helmich vom Netherlands Institute for Space Research (SRON). „Wir haben dieses Spektrum mit nur ein paar Stunden Messzeit erhalten und es schlägt bereits alles, was wir aus anderen Wellenlängenbereichen kennen. Organische Moleküle sind überall in diesem Spektrum, und wir finden sie selbst bis hinunter zu schwächsten Spektrallinien – das zeigt die Genauigkeit von HIFI. Die Entwicklung des Instruments hat acht Jahre gebraucht, aber die Wartezeit hat sich gelohnt!“
Die Zuordnung der zahlreichen Spektrallinien im Orion-Spektrum zu Linienübergängen bestimmter Moleküle erfordert den Einsatz von ausgefeilten Werkzeugen. Eines der hierbei eingesetzten Hilfsmittel ist die Kölner Datenbank für Molekülspektroskopie (CDMS). In dieser Datenbank sind die Labordaten von hunderten von Molekülen und präzise Linienvorhersagen zusammengestellt. „Die hohe spektrale Auflösung von HIFI zeigt die atemberaubende Fülle an Molekülen, die trotz der unwirtlichen Bedingungen mit den Geburtsstätten von Sternen und Planeten einher geht“, erklärt Jürgen Stutzki von der Universität zu Köln, welcher als Co-Projektleiter von HIFI tätig ist.
Das HIFI-Instrument wurde in internationaler Zusammenarbeit von 25 Instituten aus 13 verschiedenen Ländern erstellt. Die Leitung hatte hierbei das Institut für Weltraumforschung (SRON) in Groningen/Niederlande. Verschiedene deutsche Forschungseinrichtungen haben einige der entscheidenden Komponenten zu HIFI beigetragen. Dazu gehören der Lokaloszillator, welcher am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn gebaut wurde, sowie supraleitende Empfänger mit Empfindlichkeiten nahe an der fundamentalen Grenze, dem sogenannten Quantenrauschen. Diese an der Universität zu Köln gebauten Empfänger übertragen die aus der klassischen Radiotechnik bekannte Heterodyn-Mischertechnik in einen um vier Größenordnungen höheren Frequenzbereich im Ferninfrarot. Eine weitere Schlüsselkomponente des HIFI-Empfängers ist ein Akusto-Optisches Spektrometer (AOS). Dieses Instrument wurde von der Universität zu Köln in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau gebaut.
Bei den beiden anderen Instrumenten handelt es sich um das Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) und um den Spectral and Photometric Image Receiver (SPIRE).
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