Heliumhydrid-Ion: Forscher weisen ältestes Molekül im Weltall nach

Wasserstoff und Helium gehören zu den ersten Elementen, die nach dem Urknall entstanden - und sie bildeten auch das erste Molekül im Universum. Forscher haben das Heliumhydrid-Ion vor knapp 100 Jahren im Labor erzeugt. Mit Hilfe des fliegenden Teleskops Sofia konnten sie es auch im Universum nachweisen.

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Heliumhydrid-Ion: der Beginn der Chemie des Universums
Heliumhydrid-Ion: der Beginn der Chemie des Universums (Bild: Komposition: NIESYTO design; Bild NGC 7027: William B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) und NASA/ESA; Spektrum: Rolf Güsten/MPIfR, Nature, 18. April 2019)

Es war das erste Molekül des Universums: Heliumhydrid-Ion (HeH+), eine Verbindung aus Helium und Wasserstoff, entstand etwa 300.000 Jahre nach dem Urknall. Einem Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn ist es gelungen, es in einem Planetennebel etwa 3.000 Lichtjahre von der Erde entfernt nachzuweisen.

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Zwar haben Forscher das Heliumhydrid-Ion 1925 im Labor erzeugt. Doch im Universum hatten sie bis dato noch nicht gefunden. Das haben die Forscher um Rolf Güsten geschafft. Sie entdeckten es bei Beobachtungen mit dem fliegenden Teleskop Sofia, das das Deutsche Forschungszentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics and Space Administration (Nasa) betreiben. "Die Chemie des Universums hat mit HeH+ begonnen. Der fehlende Nachweis für die Existenz dieses Moleküls im interstellaren Raum hat für lange Zeit ein Dilemma für die Astronomie dargestellt", sagt Güsten.

300.000 Jahre nach dem Urknall war die Temperatur des Universums auf etwa 3.700 Grad Celsius gesunken. Die im Urknall entstandenen Elemente - Wasserstoff, Helium, Deuterium und Spuren von Lithium -, die wegen der hohen Temperaturen ionisiert waren, kühlten ab und bildeten mit freien Elektronen neutrale Atome. Den Anfang machte Helium. Die Heliumatome verbanden sich mit Wasserstoff, der noch ionisiert war, zu HeH+ und bildeten so die erste molekulare Verbindung im Universum.

Sie im Universum nachzuweisen, erwies sich jedoch als schwierig. Zwar deuteten astrochemische Modelle darauf hin, dass HeH+ in planetarischen Nebeln vorkommt. Ein planetrischer Nebel ist eine Gashülle, die von einem alten Stern am Ende seiner Entwicklung ausgestoßen wird. Das Problem ist aber, dass HeH+ am stärksten in einer Spektrallinie bei einer Wellenlänge von 0,149 mm strahlt. Strahlung dieser Wellenlänge kann unsere Atmosphäre aber nicht durchdringen. Entsprechend ließ sich HeH+ mit Teleskopen auf der Erde nicht aufspüren.

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Die Forscher um Güsten nutzen deshalb für ihre Suche das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie, kurz Sofia. Das ist eine Boeing 747, die zu einem Teleskop umfunktioniert wurde. Im hinteren Teil des Rumpfes wurde ein Teleskop eingebaut sowie eine Klappe im Rumpf. Sie wird in etwa 14 km Höhe geöffnet. Dort gibt es kaum noch Wasserdampf, der Infrarotstrahlung absorbiert, so dass Wissenschaftler weitgehend ungestört in die Sterne schauen können.

Mit Hilfe des Instruments German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies (Great) fanden sie das Molekül schließlich in NGC 7027. Das ist ein junger planetarischer Nebel, der aus einem sonnenähnlichen Stern entstanden ist. Er befindet sich im Sternbild Schwan und ist rund 3.000 Lichtjahre weit von der Erde entfernt.

Ihre Entdeckung haben die Forscher in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

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