Astrochemiker simulieren kosmische Prozesse: Wahrscheinlicher Bildungsweg von Fullerenen aus PAKs entschlüsselt

Eine internationale Forschergruppe, zu der auch Spezialisten der University of Colorado in Boulder gehören, hat bahnbrechende Laborexperimente durchgeführt. Diese Versuche zielten darauf ab, chemische Reaktionen zu simulieren, wie sie im tiefen Weltraum ablaufen. Die Ergebnisse dieser wegweisenden Studie, die im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurden, liefern eine überzeugende Erklärung für den Bildungsmechanismus von Fullerenen, insbesondere des Buckminsterfullerens (C60). Diese kugelförmigen Kohlenstoffmoleküle sind in der interstellaren Materie weit verbreitet. Die zentrale Hypothese der Wissenschaftler besagt, dass kosmische Strahlung als Katalysator fungiert, der polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) in diese einzigartigen sphärischen Strukturen umwandelt.

Diese Umwandlung gilt als ein entscheidender Schritt in der chemischen Evolution des Universums, da sie die Entstehung komplexer organischer Verbindungen vorantreibt, welche für die spätere Formierung von Sternen und Planetensystemen unerlässlich sind. Um die extremen Bedingungen des Weltraums nachzubilden, setzten die Forscher zwei kleinere PAK-Moleküle – Anthracen und Phenanthren – einem gezielten Beschuss mit Elektronenstrahlen aus. Dieser Prozess initiierte den Verlust von Wasserstoffatomen und eine tiefgreifende strukturelle Neuordnung. Im Zuge dieser Umstrukturierung begannen die Kohlenstoffatome, sich in sechseckigen (hexagonalen) und fünfeckigen (pentagonalen) Konfigurationen anzuordnen.

Das unerwartete Ergebnis dieser Laborsimulation deutet darauf hin, dass Moleküle, die Fünfecke enthalten, das entscheidende Bindeglied darstellen könnten. Dieses Glied war bisher unbekannt und ermöglicht den Übergang von den flachen PAKs zu den stabilen, geschlossenen Fullerenen. Diese Erkenntnisse sind von immenser Bedeutung für die Astrophysik, da sie einen wahrscheinlichen und möglicherweise weit verbreiteten Mechanismus zur Fullerene-Bildung im Kosmos aufzeigen. Solche auf diesem Weg entstandenen Fullerene können mithilfe modernster Instrumente, wie dem James-Webb-Weltraumteleskop, nachgewiesen werden, was zukünftige Beobachtungen leiten wird.

Die Identifizierung dieser komplexen Moleküle erlaubt es der Wissenschaftsgemeinschaft, die chemischen Prozesse, die der Entstehung von Sternen und ganzen Planetensystemen zugrunde liegen, tiefgreifender zu verstehen. Die Forschung lenkt den Fokus weg von früher angenommenen Hochenergieprozessen, wie etwa Supernova-Explosionen, hin zu einem graduelleren Prozess, der durch kosmische Strahlung angetrieben wird. Das Verständnis dieses spezifischen Bildungspfades erklärt nicht nur die ubiquitäre Präsenz von C60 im Weltall, sondern erweitert auch unser Wissen darüber, wie aus relativ einfachen Elementen die Voraussetzungen für die Entstehung von Leben im Universum entstehen können.

Dieser neue Blickwinkel auf die Astrochemie unterstreicht, dass die Bildung von komplexen organischen Strukturen möglicherweise weniger von katastrophalen Ereignissen abhängt, sondern vielmehr von stetigen, energiearmen Prozessen, die durch die allgegenwärtige kosmische Strahlung initiiert werden. Die Arbeit der University of Colorado in Boulder liefert somit einen fundamentalen Beitrag zur Klärung der Frage, wie die chemische Komplexität des Universums aufgebaut wurde. Die Simulationen zeigen eindrücklich, dass die Entstehung der Bausteine des Lebens ein fortlaufender, chemisch determinierter Prozess ist, der sich unter den extremen Bedingungen des interstellaren Raumes vollzieht und unsere Vorstellung von der Entstehung organischer Materie revolutioniert.