Tracing Complex Molecules

  • Unsere Gruppe

  • Dr. Frank Lewen (PI, PH1)
  • Dr. Arnaud Belloche (PI, MPIfR)
  • Mélisse Bonfand (MPIfR)
  • Kirill Borisov (PH1)
  • Dr. Nadine Wehres (PH1)
  • Dr. Elena Zakharenko (PH1)
  • Oliver Zingsheim (PH1)
  • Ehemaliges Mitglied
  • Matthias Ordu (PH1)

Überblick

„Die Moleküldaten, die wir entwickeln, sind die, die man in der Astrophysik braucht, um interstellare Spektren zu interpretieren und Schlüsse daraus zu ziehen.“

Auf den ersten Blick erscheint die Chemie des interstellaren Mediums relativ einfach: zu etwa 90% besteht es aus Wasserstoff, die restlichen 10% werden fast vollständig durch Helium ausgemacht. Diese Elemente haben ihren Ursprung im Urknall. Schwerere Elemente, wie z.B. Kohlenstoff oder Sauerstoff, mussten im Laufe der Zeit erst im Inneren von Sternen „erbrütet werden“ und kommen nur in erheblich geringeren Mengen als Wasserstoff und Helium vor. Trotzdem ist die Chemie, die im interstellaren Medium anhand von Spektrallinien beobachtet werden kann, erstaunlich komplex. Bis heute wurden etwa 180 verschiedene interstellare Moleküle identifiziert. Insbesondere in interstellaren Regionen, die durch Schocks (C2) oder Strahlungsfelder (C1) erwärmt werden so wie es in Regionen von Sternentstehung passiert, findet sich ein dichter und komplizierter „Wald“ von Spektrallinien, der auf die Existenz komplexer Moleküle schließen lässt.

Der spektrale Bereich, in dem komplexe Moleküle ihre elektromagnetische Strahlung aussenden, reicht hinein in den Bereich von Terahertz-Frequenzen. Dieser hochfrequente Teil des Spektrums stellt den Bereich elektromagnetischer Strahlung dar, der bisher noch am wenigsten erforscht wurde. Ein Grund dafür ist, dass diese Frequenzen von unserer Atmosphäre abgeschirmt werden, und man daher darauf angewiesen ist, Beobachtungsinstrumente in Satelliten oder Flugzeugen zu positionieren. Die Daten, die durch den Satelliten Herschel und das Flugzeug-basierte Stratosphären-Observatorium SOFIA geliefert werden, eröffnen nun erstmalig ein Blick auf den spektralen Terahertz-Bereich mit bis dahin unerreichter Empfindlichkeit und spektraler Auflösung. Auch im etwas einfacher zugänglichen Bereich der mm-Wellen und sub-mm-Wellen Beobachtungen, die auch noch von hohen, trockenen Bergregionen aus durchgeführt werden können, entsteht mit dem Interferometer ALMA in der chilenischen Atacamawüste aktuell ein neues Beobachtungsinstrument, das mit nie zuvor erreichter Genauigkeit das Studium der chemischen Bedingungen im interstellaren Medium (C3) ermöglicht.

Auf dem Weg zur Entdeckung neuer interstellarer Moleküle ist die Verfügbarkeit astronomischer Beobachtungsdaten aber nur eine von zwei notwendigen Komponenten. Gleichzeitig muss man in der Lage sein, neue Spektrallinien bekannten Molekülen zuzuordnen. Die dafür notwendigen Informationen liefert die Laborspektroskopie. Nur wenn auf der Grundlage von Laborexperimenten bereits bekannt ist, welche spektralen „Fingerabdrücke“ die Moleküle im beobachteten Spektralbereich besitzen, ist es möglich, sich in der unübersichtlichen Vielfalt komplexer, astronomischer Molekülspektren zurechtzufinden und auf dieser Grundlage die Physik und die chemische Geschichte beispielsweise von Sternentstehungsgebieten zu verstehen. „Das klingt vielleicht etwas komisch, aber man betreibt im Labor Astrophysik. Das heißt, wir machen auch Beobachtungen, beobachten dann aber Moleküle, die wir in unsere Absorptionszellen einfüllen, entwickeln dazu Spektrometer und die Technik, die dann in der Lage ist, diese Moleküle zu charakterisieren“, fasst Frank Lewen das Vorgehen zusammen.

Die entsprechenden Informationen für komplexe Moleküle in den astronomisch von den neuen Beobachtungsinstrumenten abgedeckten Spektralbereichen sind noch sehr lückenhaft. Die Universität zu Köln beherbergt eines der weltweit wenigen Institute, die auf der Grundlage arbeitsintensiver Spektralanalysen dazu beitragen, diese Lücken zu schließen. Von Vorteil ist dabei die enge Kooperation mit anderen Laborprojekten (B2 und dem zukünftigen B4) und der enge Kontakt zu den lokalen Forschungsgruppen, die an der Entwicklung der anspruchsvollen Technologie der Terahertz-Spektroskopie arbeiten (assoziiertes Projekt D1, D2, D3, S). Im Rahmen des SFB generiert das Teilprojekt B3 vollständige Linienvorhersagen für komplexe Moleküle bis zu Frequenzen von zwei Terahertz, die beispielsweise für die Interpretation von Beobachtungen der Entstehungsregionen massereicher Sterne benötigt werden (A6). Die bisherigen Forschungs-Highlights fasst Frank Lewen folgendermaßen zusammen: „Wir haben tolle Erfolge gehabt, zum Beispiel haben wir Dimethylether mit 13C substituiert und dieses Molekül erstmalig interstellar entdeckt. Es gibt aber noch eine weitere Entdeckung. Wir haben festgestellt, dass es Vibrationszustände mit höherer Energie in dem Molekül gibt, die auch bevölkert werden, und auch diese Zustände sind nun erstmalig im interstellaren Medium entdeckt worden.“ Die weitere Forschung in diesem Projekt wird der Frage nachgehen, wie weit der Formierungsprozess komplexer Moleküle reicht, eine Frage, die letztendlich sehr dicht an die Frage nach den Bausteinen des Lebens heran führt.

Ausgewählte Publikationen


 

In 2018

N. Wehres, M. Hermanns, O. Wilkins, K. Borisov, F. Lewen, J.-U. Grabow, S. Schlemmer und H. Müller, Rotational spectroscopy of the two conformers of 3-methylbutyronitrile (C4H9CN) between 2 and 400 GHz, Astron. Astrophys. (2018), im Druck.

N. Wehres, J. Maßen, K. Borisov, B. Schmidt, F. Lewen, U. U. Graf, C. E. Honingh, D. R. Higgins und S. Schlemmer, A Laboratory Heterodyne Emission Spectrometer at Submillimeter Wavelengths, Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 5530–5544.

N. Wehres, B. Heyne, F. Lewen, M. Hermanns, B. Schmidt, C. Endres, U. U. Graf, D. R. Higgins und S. Schlemmer, “100 GHz Room-Temperature Laboratory Emission Spectrometer”, Tagungsband des IAU Symposiums No. 332 “Astrochemistry VIII: Through the Cosmos from Galaxies to Planets ”, Vorabdruck.

C. Richard, A. Belloche, L. Margulès, R. A. Motiyenko, K. M. Menten, R. T. Garrod und H. S. P. Müller, Rotational Spectrum of 3-Aminopropionitrile and Searches for It in Sagittarius B2(N), J. Mol. Spectrosc., 2018, 345, 51–59.

In 2017

L. Bizzocchi, F. Tamassia, J. Laas, B. M. Giuliano, C. Degli Esposti, L. Dore, M. Melosso, E. Canè, A. Pietropolli Charmet, H. S. P. Müller, H. Spahn, A. Belloche, Paola Caselli, K. M. Menten und R. T. Garrod, Rotational and High-resolution Infrared Spectrum of HC3N: Global Ro-vibrational Analysis and Improved Line Catalog or Astrophysical Observations, Astrophys. J. Suppl. Ser., 2017, 233, Art.-Nr. 11.

O. Zingsheim, H. S. P. Müller, F. Lewen, J. K. Jørgensen und S. Schlemmer, Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Propanal, J. Mol. Spectrosc., 2017, 342, 125–131.

H. S. P. Müller, O. Zingsheim, N. Wehres, J.-U. Grabow, F. Lewen und S. Schlemmer, Rotational Spectroscopy of the Lowest Energy Conformer of 2-Cyanobutane, J. Phys. Chem. A, 2017, 121, 7121–7129.

M. Bonfand, A. Belloche, K. M. Menten, R. T. Garrod und H. S. P. Müller, Molecular Complexity with ALMA (EMoCA): Detection of Three New Hot Cores in Sagittarius B2(N), Astron. Astrophys., 2017, 604, Art.-Nr. A60.

R. T. Garrod, A. Belloche, H. S. P. Müller und K. M. Menten, Exploring Molecular Complexity with ALMA (EMoCA): Simulations of Branched Carbon-chain Chemistry in Sgr B2(N), Astron. Astrophys., 2017, 601, Art.-Nr. A49.

A. Belloche, A. A. Meshcheryakov, R. T. Garrod, V. V. Ilyushin, E. A. Alekseev, R. A. Motiyenko, L. Margulès, H. S. P. Müller und K. M. Menten, Rotational Spectroscopy, Tentative Interstellar Detection, and Chemical Modelling of N-Methylformamide, Astron. Astrophys., 2017, 601, Art.-Nr. A2.

O. Zakharenko, J.-B. Bossa, F. Lewen, S. Schlemmer und H. S. P. Müller, Millimeter and submillimeter wave spectroscopy of higher energy conformers of 1,2-propanediol, J. Mol. Spectrosc., 2017, 333, 23–26.

H. Schmiedt, S. Schlemmer, S. N. Yurchenko, A. Yachmenev und P. Jensen, A semi-classical approach to the calculation of highly excited rotational energies for asymmetric-top molecules, Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, 1847–1856.

In 2016

H. S. P. Müller, A. Walters, N. Wehres, A. Belloche, O. H. Wilkins, D. Liu, R. Vicente, R. T. Garrod, K. M. Menten, F. Lewen und S. Schlemmer, Laboratory spectroscopic study and astronomical detection of vibrationally excited n-propyl cyanide, Astron. Astrophys., 2016, 595, Art.-Nr. A87.

L. Margulès, A. Belloche, H. S. P. Müller, R. A. Motiyenko, J.-C. Guillemin, R. T. Garrod und K. M. Menten, Spectroscopic study and astronomical detection of doubly 13C-substituted ethyl cyanide. Astron. Astrophys., 2016, 590, Art.-Nr. A93.

H. S. P. Müller, A. Belloche, L.-H. Xu, R. M. Lees, R. T. Garrod, A. Walters, J. van Wijngaarden, F. Lewen, S. Schlemmer und K. M. Menten, Exploring molecular complexity with ALMA (EMoCA): Alkanethiols and alkanols in Sagittarius B2(N2), Astron. Astrophys., 2016, 587, Art.-Nr. A92.

A. Belloche, H. S. P. Müller, R. T. Garrod und K. M. Menten, Exploring molecular complexity with ALMA (EMoCA): Deuterated complex organic molecules in Sagittarius B2(N2), Astron. Astrophys., 2016, 587, Art.-Nr. A93.

H. S. P. Müller, B. J. Drouin, J. C. Pearson, M. H. Ordu, N. Wehres und F. Lewen, Rotational spectra of isotopic species of methyl cyanide, CH3CN, in their v8 = 1 excited vibrational states, Astron. Astrophys., 2016, 586, Art.-Nr. A17.

In 2015

A. Walters, M. Schäfer, M. H. Ordu, F. Lewen, S. Schlemmer und H. S. P. Müller, Millimetre-wave spectrum of the singly deuterated isotopologues of anti-ethanol, J. Mol. Spectrosc., 2015, 314, 6–12.

H. S. P. Müller, L. R. Brown, B. J. Drouin, J. C. Pearson, I. Kleiner, R. L. Sams, K. Sung, M. H. Ordu und F. Lewen, Rotational spectroscopy as a tool to investigate interactions between vibrational polyads in symmetric top molecules: Low-lying states v8 ⩽ 2 of methyl cyanide, CH3CN, J. Mol. Spectrosc., 2015, 314, 6–12.

In 2014

J. B. Bossa, M. H. Ordu, H. S. P. Müller, F. Lewen und S. Schlemmer, Laboratory spectroscopy of 1, 2-propanediol at millimeter and submillimeter wavelengths, Astron. Astrophys., 2014, 570, Art.-Nr. A12.

A. Belloche, R. T. Garrod, H. S. P. Müller und K. M. Menten, Detection of a branched alkyl molecule in the interstellar medium: iso-propyl cyanide, Science, 2014, 345, 1584–1587.

L.-H. Xu, R. M. Lees, Y. Hao, H. S. P. Müller, C. P. Endres, F. Lewen, S. Schlemmer und K. M. Menten, Millimeter wave and terahertz spectra and global fit of torsion–rotation transitions in the ground, first and second excited torsional states of 13CH3OH methanol, J. Mol. Spectrosc., 2014, 303, 1–7.