Understanding Deuterium Fractionation

  • Unsere Gruppe

  • Dr. Oskar Asvany (PI, PH1)
  • Thomas Salomon (PH1)
  • Philip Schreier (PH1)
  • Matthias Töpher (PH1)
  • Ehemalige Mitglieder
  • Alexander Stoffels (PH1)
  • Sven Fanghänel (PH1)
  • Lars Kluge (PH1)
  • Sabrina Gärtner (PH1)

Überblick

„Die Moleküle, um die es geht, sind in der Lage, direkt als Uhrwerk für die Sternentstehung zu dienen.“

Sterne entstehen durch den Kollaps sehr kalter und dichter Molekülwolken, in denen die frühesten Stadien der Sternentstehung von direkter Beobachtung abgeschirmt sind. Entsprechend ist es notwendig, Indikatoren zu finden, die indirekt Aufschluss über die Vorgänge im Inneren der Wolken geben können. Als ein solcher Indikator kann die chemische Zusammensetzung der Wolke dienen, die kurz vor der Sternentstehung außergewöhnliche Eigenschaften aufweist. Während normalerweise die Chemie im Gas molekularer Wolken durch Elemente wie Kohlenstoff oder Sauerstoff entscheidend bestimmt wird, haben sich kurz vor der Entstehung eines Sterns alle Moleküle, die solche schweren Elemente enthalten, auf den Oberflächen interstellarer Staubteilchen abgesetzt. Entsprechend besteht das Gas der Wolke schließlich fast nur noch aus Helium und Wasserstoffverbindungen. Beobachtungen zeigen, dass unter solchen Bedingungen das Wasserstoff-Isotop Deuterium sehr viel häufiger vorkommt als in anderen Gebieten des interstellaren Mediums und für die ablaufende Chemie eine zentrale Rolle spielt. Die Deuteriumchemie wird damit zu einem empfindlichen Indikator und Messinstrument, um die vorliegenden Bedingungen in den Geburtsstätten junger Sterne, kurz vor deren Entstehung zu erforschen.

Die genauen Details dieser durch Isotope bestimmten Chemie sind allerdings sehr kompliziert und hängen von einer Reihe verschiedener Parameter, wie z. B. dem Verhältnis von deuteriertem zu normalem molekularen Wasserstoff und der in der Wolke herrschenden Temperatur, ab. Um die Deuteriumchemie tatsächlich als Indikator für die frühsten Stadien der Sternentstehung nutzen zu können, müssen all diese Parameter in einem numerischen Modell der ablaufenden Chemie berücksichtigt werden, so dass die astronomischen Beobachtungen schließlich auf der Grundlage eines solchen Modells interpretiert werden können. Dafür werden aber detaillierte Informationen über die ablaufenden Prozesse benötigt, wie beispielsweise die Häufigkeit und Temperaturabhängigkeit der chemischen Reaktionen, oder die Wellenlängen der von den vorliegenden Spezies ausgesandten Strahlung. Diese bisher noch sehr lückenhaft vorliegenden Informationen können nur theoretisch und auf der Grundlage von Laborexperimenten ermittelt werden. Die Bereitstellung entsprechender Informationen und die Erlangung eines besseren Verständnisses der vielfältigen Einflüsse auf die Deuteriumchemie sind Ziele des Projektes B2. „Wir arbeiten sowohl spektroskopisch als auch, indem wir kinetische Studien ausführen, in denen wir untersuchen, wie schnell bestimmte Reaktionen stattfinden. Das untersuchen wir in sogenannten Speicherinstrumenten, wo wir die Reaktanden und Produkte als Funktion der Zeit untersuchen und dann eine Abfolge von chemischen Reaktionen direkt verfolgen können“, beschreibt Stephan Schlemmer die dabei genutzten Methoden.

Experimentell ist es eine große Herausforderung, die chemisch relevanten Parameter wie die Temperatur, das Verhältnis von ortho- und para-Wasserstoff und das Verhältnis von deuteriertem und nicht-deuteriertem Wasserstoff gleichzeitig zu kontrollieren. Insbesondere in Bezug auf den Einfluss des ortho/para Verhältnisses konnten innerhalb des Projektes aber bereits bemerkenswerte Ergebnisse erlangt werden. Dabei zeigte sich, dass bei den in den dichten Molekülwolken herrschenden niedrigen Temperaturen beide Rotationszustände des molekularen Wasserstoffes sehr unterschiedlich reagieren und damit sehr unterschiedliche Einflüsse auf die Chemie haben. Diese Ergebnisse besitzen direkte Relevanz für die Interpretation von Beobachtungen der Entstehungsstätten massereicher Sterne (A6), die Weiterentwicklung chemischer Modelle von Sternentstehungsregionen (C3) und das Verständnis der Entstehung komplexer, kohlenstoffhaltiger Moleküle (B3). Gleichzeitig gibt es aber weiterhin viele unverstandene Aspekte in Bezug auf die Isotopenchemie, denen sich die weitere Forschung in B2 widmen wird. „Nachdem wir die Rolle des Wasserstoffs besser verstanden haben, können wir uns jetzt stärker den Fragen nach den Isotopologen selbst zuwenden und auch Folgeprozesse genauer studieren, insbesondere wie und mit welcher Effizienz das Deuterium in andere Moleküle weitertransferiert wird“, fasst Schlemmer das weitere Arbeitsprogramm zusammen.

Ausgewählte Publikationen


In 2018
Asvany, O., Thorwirth, S., Redlich, B., and Schlemmer, S., Spectroscopy of the low-frequency vibrational modes of CH3+, J. Mol. Spectrosc., 2018, 347, 1

Domenech, J. L., Jusko, P., Schlemmer, S., and Asvany, O., The first laboratory detection of Vibration-Rotation Transitions of CH+ and 13CH+ and Improved Measurement of their Rotational Transition Frequencies, Astrophys. J., 2018, 857, 61

In 2017
Domenech, J. L., Schlemmer, S., and Asvany, O., Accurate Frequency Determination of Vibration-Rotation and Rotational Transitions of SiH+, Astrophys. J., 2017, 849, 60

Jusko, P. et al., Double resonance rotational action spectroscopy of cold H2D+ and D2H+, J. Mol. Spectrosc., 2017, 332, 33

Jusko, P. et al.,  High-resolution vibrational and rotational spectroscopy of CD2H+ in a cryogenic ion trap, J. Mol. Spectrosc., 2017, 332, 59

Harju, J. et al., Detection of Interstellar Ortho-D2H+ with SOFIA, Astrophys. J., 2017, 840, 63

Fanghänel, S., Schlemmer, S., and Asvany, O., Optimization of RF multipole ion trap geometries, J. Mol. Spectrosc., 2017, 332, 124

In 2016
Jusko, P., Konietzko, C., Schlemmer, S., and Asvany, O., Frequency comb assisted measurement of fundamental transitions of cold H3+, H2D+ and D2H+, J. Mol. Spectrosc., 2016, 319, 55

Töpfer, M., Jusko, P., Schlemmer, S., and Asvany, O., Double resonance rotational spectroscopy of CH2D+, Astron. Astrophys., 2016, 593, L11

In 2015
Savic, I. et al, Controlled synthesis and analysis of He-H3+ in a 3.7 K ion trap, Mol. Phys., 2015, 113, 15

In 2014
Asvany, O., Brünken, S., Kluge, L., and Schlemmer, S., COLTRAP: a 22-pole trapping machine for spectroscopy at 4 K. Appl. Phys. B, 2014, 114, 203

Brünken, S., Kluge, L., Stoffels, A., et al., Laboratory rotational spectrum of l-C 3 H + and confirmation of its astronomical detection. Astrophys. J. Lett., 2014, 783, L4 (co-authors: Asvany, O., Schlemmer, S.)

In 2013
Gärtner, S., Krieg, J., Kleman, A., et al., High-resolution spectroscopy of CH 2 D + in a cold 22-pole ion trap. J. Phys. Chem. A, 2013, 117, 9975 (co-authors: Asvany, O., Schlemmer, S.)

In 2012
Asvany, O., Krieg, J., and Schlemmer, S., Frequency comb assisted mid-infrared spectroscopy of cold molecular ions. Rev. Sci. Instr., 2012, 83, 093110

Kluge, L., Gärtner, S., Brünken, S., et al., Transfer of a proton between H 2 and O 2 . Phil. Trans. Royal Soc. A, 2012, 379, 5041 (co-authors: Asvany, O., Schlemmer, S.)

Grussie, F., Berg, M.H., Crabtree, K.N. et al., The low temperature nuclear spin equilibrium of H 3+ in collisions with H 2 . Astrophys. J., 2012, 759, 21 (co-authors: Gärtner, S., Schlemmer, S.)

In 2010
Asvany, O., Bielau, F., Moratschke, D., et al., A new design of a cryogenic linear radio frequency multipole trap. Rev. Sci. Instr., 2010, 81, 076102 (co-authors: Schlemmer, S.)

In 2008
Asvany, O., Ricken, O., Müller, H.S.P., et al., High-resolution rotational spectroscopy in a cold ion trap: H 2 D + and D 2 H + . Phys. Rev. Lett., 2008, 100, 233004 (co-authors: Schlemmer, S.)