Astrochemistry

  • Team

  • Prof. Peter Schilke (PI, PH1)
  • Prof. Edwin Bergin (PH1)
  • Dr. Rumpa Choudhury (PH1)
  • Dr. Sheng-Li Qin (PH1)
  • Gwendoline Stephan (PH1)

Überblick

„Wir arbeiten an chemischen Modellen zur Sternentstehung: was passiert in ganz frühen Stadien der Sternentstehung in den Molekülwolken?“

Sterne entstehen durch den Kollaps dichter Molekülwolken. Solche Moleküwolken bestehen zum allergrößten Teil aus molekularem Wasserstoff. Daneben gibt es geringe Mengen schwererer Elemente, die aber für eine komplexe Chemie in diesen Wolken sorgen. Das Verständnis der ablaufenden chemischen Reaktionen und der vorliegenden chemischen Häufigkeiten in den stellaren Geburtsstätten ist in mehrfacher Hinsicht zentral, wenn es darum geht, nachzuvollziehen wie die Frühphase der Sternentstehung abläuft. Zum einen wird der Ablauf der Sternentstehung selbst durch die chemische Zusammensetzung der Molekülwolke beeinflusst, da Atome und Moleküle durch Wechselwirkungs-, Anregungs- und Strahlungsprozesse die Temperatur innerhalb des Gases festlegen. Daneben bestimmt der Grad der Ionisierung des Gases, wie stark das Magnetfeld innerhalb der Wolke die Dynamik des Gases beeinflussen und den Kollaps der Wolke verlangsamen oder sogar aufhalten kann.

Gleichzeitig stellt die Strahlung von Atomen und Molekülen ein einzigartiges Untersuchungsinstrument für die im Inneren der Wolke ablaufenden Prozesse dar. Mit ihrer Hilfe können Eigenschaften des Gases, wie dessen Temperatur, Dichte und anhand der Doppler-Verschiebung von Spektrallinien auch dessen Bewegungszustand (siehe auch: C2), ermittelt werden. Die charakteristischen Zeitskalen chemischer Prozesse könenn darüber hinaus als eine Art chemische Uhr genutzt werden (siehe auch: B2), so dass es möglich wird, die Geschichte der Molekülwolke zu rekonstruieren. Auch die räumliche Struktur kann auf der Grundlage chemischer Informationen erschlossen werden wenn man Moleküle kennt, die nur in bestimmten Regionen der stellaren Geburtsstätte existieren.

Um derart umfangreiche Informationen aus der beobachteten Strahlung gewinnen zu könenn, ist es notwendig, die chemische Entwicklung der Molekülwolke möglichst genau zu verstehen. Aufgrund der Komplexität der ablaufenden chemischen und physikalischen Prozesse ist man dabei auf numerische Modelle angewiesen, die in der Lage sind, zu berechnen, wie sich die atomaren und molekularen Häufigkeiten von mehreren hundert chemischen Spezies unter dem Einfluss tausender chemischer Reaktionen in der Frühphase der Sternentstehung verhalten. Dieses Verhalten wird insbesondere auch durch interstellare Staubteilchen beeinflusst, auf deren Oberfläche sich die Moleküle sammeln wenn die Molekülwolke kollabiert. Auf der Stauboberfläche sind daraufhin weitere chemische Reaktionen möglich, die zur Bildung großer, sehr komplexer Moleküle (B3) führen können. Sobald der junge Stern aber beginnt, mit seinem Strahlungsfeld seine Umgebung aufzuheizen (siehe auch C1), verdampft der Eismantel der Staubteilchen, und die Moleküle gelangen wieder in die Gasphase. Dieses Wechselspiel zwischen der Chemie der Molekülwolke und der Entwicklung des jungen Sterns zu modellieren und mit tatsächlichen Beobachtungen junger Sternentstehungsregionen in Beziehung zu setzen, ist Ziel des Projektes C3. „Neu bei uns ist, dass wir folgendes zu modellieren versuchen: Wie heizt sich der Protostern auf? Wie ist der zeitliche Verlauf? Was passiert genau auf den Stauboberflächen? Neu ist auch, dass wir Spektren modellieren: Was würde ein Teleskop, das so eine Region beobachtet, sehen?“, charakterisiert Peter Schilke die Besonderheit des Projektes. Die Vorhersage von Beobachtungen ist dabei für eine enge Kooperation mit den Beobachtungsprojekten (A1-A6) zentral.

Insbesondere in Bezug auf die Staubchemie gibt es aber noch viele offene Fragen. Laborexperimente deuten an, dass viele der bisher in der Modellierung gemachten Annahmen in Bezug auf die Oberflächenprozesse der Staubteilchen unzulässige Vereinfachungen beinhalten. Tatsächlich erscheint der Prozess der Abdampfung der auf dem Staub ausgefrorenen Molekülschichten sehr viel komplexer als die einfache Vorstellung einer plötzlichen Freisetzung der Moleküle in die Gasphase. Moleküle können beispielsweise in Hohlräumen innerhalb des Eismantels noch dann gefangen sein, wenn die Temperatur eigentlich schon für eine Verdampfung ausreichen würde. Das numerische Chemie-Modell durch die Berücksichtigung solcher Aspekte der Staubchemie weiter zu verbessern, wird eines der nächsten Arbeitsziele des Projektes sein.

Ausgewählte Publikationen


 

In 2014
Neill, J.L., Bergin, E.A., Lis, D.C., Schilke, P., et al., “Herschel Observations of EXtraordinary Sources: Analysis of the Full Herschel/HIFI Molecular Line Survey of Sagittarius B2(N)”, 2014, ApJ, in press, arXiv:1405.0706

Crockett, N.R., Bergin,E.A., Neill, J.L, et al., “Herschel Observations of Extraordinary Sources: Analysis of the HIFI 1.2 THz Wide Spectral Survey toward Orion KL. I. Methods”, 2014, ApJ, 787, 112 (co-author Schilke)

In 2013
Belloche, A., Müller, H. S. P., Menten, K. M., Schilke, P., and Comito, C.: "Complex organic molecules in the interstellar medium: IRAM 30 m line survey of Sagittarius B2(N) and (M)", Astronomy and Astrophysics, 559, A47, 11/2013

Emprechtinger, M., Lis, D. C., Rolffs, R., et al.: "The Abundance, Ortho/Para Ratio, and Deuteration of Water in the High-mass Star-forming Region NGC 6334 I", The Astrophysical Journal, 765, 61, 3/2013 (co-author Schilke)

Lis, Dariusz C., Bergin, Edwin A., Schilke, Peter, and van Dishoeck, Ewine F.: "Ortho-to-Para Ratio in Interstellar Water on the Sightline toward Sagittarius B2(N)", Journal of Physical Chemistry A, 117, 9661, 10/2013

Schilke, Peter, Lis, Dariusz C., Bergin, Edwin A., Higgins, Ronan, and Comito, Claudia: "Ortho/Para Ratio of H2O+ Toward Sagittarius B2(M) Revisited", Journal of Physical Chemistry A, 117, 9766, 10/2013

Tobin, John J., Bergin, Edwin A., Hartmann, et al.: "Resolved Depletion Zones and Spatial Differentiation of N 2 H + and N 2 D + , The Astrophysical Journal, 765, 18, 3/2013

In 2012
Zernickel, A., Schilke, P., Schmiedeke, A., et al.: "Molecular line survey of the high-mass star-forming region NGC 6334I with Herschel/HIFI and the Submillimeter Array", Astronomy and Astrophysics, 546, A87, 10/2012

In 2011
Bergin, E. A.: "Chemical Processes in the Dense Interstellar Medium", EAS Publications Series, 52, 207, 11/2011

In 2010
Comito, C., Schilke, P., et al.: "Herschel observations of deuterated water towards Sgr B2(M)", Astronomy and Astrophysics, 521, L38, 10/2010

Hassel, G. E., Herbst, E., and Bergin, E. A.: "Beyond the pseudo-time-dependent approach: chemical models of dense core precursors", Astronomy and Astrophysics, 515, A66, 6/2010