HeH+ sollte im Weltall häufig vorkommen, ließ sich bislang aber nicht beobachten
Das Heliumhydrid-Ion (HeH+) war das erste Molekül, das sich im frühen Universum gebildet hat und ist immer noch eines der am häufigsten vorkommenden Moleküle auf der Erde - der extraterrestrischen Beobachtung hat es sich bislang jedoch entzogen.
Gemäß der Urknall-Theorie ist das Universum 13,7 Milliarden Jahre alt und hat eine Entwicklung durchlaufen, die sich grob in drei Phasen unterteilen lässt: Die erste Phase, als die Teilchen extrem hohe Energie aufwiesen, ereignete sich während der ersten Sekunde des Universums und wird bis heute kaum verstanden. Als die Temperatur im Universum drastisch sank, kam es zur zweiten Phase: Es bildeten sich Protonen, Elektronen und Neutronen, gefolgt von Atomkernen und schließlich Atomen. Die dritte Phase beinhaltete die Bildung von Strukturen wie Sternen und Galaxien.
Die Anfänge
Die ersten Moleküle bildeten sich zwischen der zweiten und dritten Phase, etwa 300.000 Jahre nach dem Urknall. In diesem Zeitraum war die Temperatur des Universums auf 4.000 Grad Kelvin gefallen, es bildeten sich Wasserstoff-, Helium- und Lithium-Atome. Zuvor waren sie ionisiert gewesen, es waren noch keine Elektronen feste Verbindungen mit Atomkernen eingegangen. Bei fortschreitender Abkühlung wurden die Elektronen von Ionen eingefangen: Das erste Element, das auf diese Weise elektrisch neutral wurde, war Helium. Dieses verband sich wiederum mit ionisiertem Wasserstoff und bildete so das allererste Molekül: HeH+, bald gefolgt von ähnlich kleinen Molekülen.
Die Häufigkeit, in der die ersten Atom- und Molekülarten auftraten, entwickelte sich mit dem fortschreitenden Alter des Universums, da diese durch verschiedene Mechanismen aufgebaut und zerstört werden können. Schätzungen zufolge entwickelten sich nach etwa 100 Millionen Jahren keine großen Mengen mehr. Es gibt verschiedene Modelle, mit denen die Häufigkeit unterschiedlicher Arten von Molekülen geschätzt wird - um das beste Modell zu finden, müssen die Schätzungen mit Beobachtungen verglichen werden, die mit Hilfe von Weltraumteleskopen gemacht werden, welche die ausgesandte Strahlung einfangen. Jede Art von Molekül sendet dabei auf einer charakteristischen Frequenz innerhalb des elektromagnetischen Spektrums.
Am falschen Ort gesucht?
Allen Modellen zufolge sollte HeH+ in Gasnebeln, aus denen Sterne entstehen, und planetaren Nebeln, die von sterbenden Sternen ausgestoßen wurden, häufig vorkommen. Trotz dieser Vorhersage hat bislang aber keiner der Versuche, das extraterrestrische Vorhandensein von Heliumhydrid endgültig zu beweisen, zum Erfolg geführt - ein verblüffender Umstand, da die anderen vorhergesagten Molekültypen beobachtet werden konnten. Dass sich das geheimnisvolle Ion der Beobachtung entzieht, bedeutet entweder, dass die Mechanismen zu seiner Bildung überschätzt oder die Mechanismen zu seiner Zerstörung unterschätzt wurden.
Die Lösung des Rätsels könnte in den verschiedenen Energieniveaus liegen, die HeH+ annehmen kann. In der Regel befindet sich ein Molekül im sogenannten Grundzustand, also auf dem niedrigstmöglichen Energieniveau. Das Ion könnte sich aber auch in einem höheren "metastabilen" Zustand von langer Lebenszeit befinden. Bleibt es lange genug in diesem Zustand, wäre sowohl seine Häufigkeit als auch seine charakteristische Frequenz eine andere - eine Möglichkeit, die zuvor nie in Erwägung gezogen worden war. Neue Berechnungen der Bildung und Zerstörung des Moleküls, diesmal in einem anderen als dem Grundzustand, sollen gemeinsam mit Beobachtungen von Weltraumteleskopen wie Herschel und Spitzer dabei helfen, das Geheimnis des ältesten Moleküls des Universums zu lüften. (Jérôme Loreau, Übersetzung: derStandard.at)
Der Autor
Jérôme Loreau studierte Physik an der belgischen Université Libre de Bruxelles und graduierte 2006; 2010 erhielt er seinen Ph.D. Derzeit arbeitet er am Harvard-Smithsonian Institut für Theoretische atomare, molekulare und optische Physik.
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