Chemie des Urknalls: So entstand das erste Molekül im Universum
Forschende messen erstmals, wie das erste Molekül des Universums reagierte – und schreiben die Urknall-Chemie neu.
Chemie des Urknalls: Reaktionsschema der Reaktion des Helium-Hydrid-Ions mit Deuterium. Es handelt sich um eine schnelle und barrierefreie Reaktion, anders als bisherige Theorien vermuteten. Hintergrund: Der planetarischen Nebel NGC 7027, in rot molekularer Wasserstoff.
Foto: Schemata: MPIK; Bildrechte Hintergrund: W. B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) and NASA
13,8 Milliarden Jahre ist der Urknall her. Was danach geschah, ist für die heutige Forschung weit mehr als nur theoretisches Interesse. Denn in dieser extrem frühen Phase des Universums begannen Prozesse, die bis heute das Verhalten von Materie prägen. Ein Molekül spielt dabei eine besondere Rolle: das Heliumhydrid-Ion (HeH⁺). Es gilt als das erste Molekül, das sich überhaupt gebildet hat – und sein Verhalten beeinflusste maßgeblich die Entstehung der ersten Sterne.
Nun haben Forschende am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg unter weltraumähnlichen Bedingungen untersucht, wie dieses Molekül mit anderen Teilchen reagierte. Die Ergebnisse liefern neue Einblicke in die Frühzeit der Materie – und stellen bisherige Modelle infrage.
Inhaltsverzeichnis
Der Weg zur ersten chemischen Bindung
Nach dem Urknall dehnte sich das Universum rasant aus. Es war zunächst so heiß, dass es nur freie Protonen, Neutronen und Elektronen gab. Erst nach einigen hunderttausend Jahren kühlte sich das All so weit ab, dass sich neutrale Atome – vor allem Wasserstoff und Helium – bilden konnten. Diese Phase ist bekannt als die „Rekombination“.
Was danach folgte, nennen Fachleute das dunkle Zeitalter der Kosmologie. Es gab noch keine Sterne, aber das Universum war durchsichtig. In dieser lichtlosen Zeit begannen die ersten chemischen Prozesse. Und genau hier entsteht HeH⁺.
Das Ion bildet sich aus einem Helium-Atom und einem Wasserstoff-Proton. Genauer:
H⁺ + He → HeH⁺ + hν
Dabei steht „hν“ für ein Photon – also ein Lichtteilchen, das bei der Reaktion freigesetzt wird. HeH⁺ war damit das erste stabile Molekül, das überhaupt im Universum entstehen konnte.
HeH⁺: Kühlmittel der kosmischen Frühzeit
HeH⁺ war mehr als nur eine chemische Kuriosität. Es half dabei, die Temperatur von Gaswolken abzusenken. Warum das wichtig ist? Sterne entstehen, wenn sich dichte Gasansammlungen unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenziehen. Doch dafür müssen sie Wärme loswerden. Atome allein reichen dazu nicht aus – sie geben bei Kollisionen nur begrenzt Energie ab. Moleküle wie HeH⁺ hingegen besitzen Schwingungen und Rotationen, mit denen sie zusätzliche Energie abstrahlen können. Vor allem das starke elektrische Dipolmoment des HeH⁺-Ions (1,66 Debye) machte es zu einem effektiven Strahlungskühler.
Forschende vermuten deshalb schon lange, dass das Molekül eine Rolle bei der Entstehung der ersten Sterne spielte. Doch wie lange es im frühen Universum überhaupt überlebte, war bislang unklar.
Zerbrechliche Existenz: Warum HeH⁺ schnell wieder verschwand
Die Lebensdauer von HeH⁺ hing stark von seiner Umgebung ab. Besonders die Reaktionen mit Wasserstoff (H) und Deuterium (D) – einem schwereren Wasserstoffisotop – führten zur Auflösung des Moleküls:
- HeH⁺ + H → H₂⁺ + He
- HeH⁺ + D → HD⁺ + He
Diese Reaktionen sind wichtige Schritte auf dem Weg zur Bildung von molekularem Wasserstoff (H₂) – dem häufigsten Molekül im Universum. Bisherige Modelle gingen davon aus, dass diese Prozesse bei niedrigen Temperaturen sehr langsam ablaufen. Doch das war ein Trugschluss.
Experiment in Heidelberg: Barrierenfreie Reaktion nachgewiesen
Ein Team am Max-Planck-Institut in Heidelberg wollte es genau wissen. Im kryogenen Speicherring (CSR) – einer 35 Meter langen ringförmigen Vakuumkammer – ließen die Forschenden HeH⁺-Ionen mit einem Strahl neutraler Deuterium-Atome kollidieren. Die Bedingungen: Temperaturen nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt – ganz wie im frühen Universum.
Durch präzise Einstellung der Teilchengeschwindigkeiten analysierten sie die Reaktionsrate in Abhängigkeit von der Kollisionsenergie. Und stellten fest: Die Reaktion verlangsamt sich nicht wie erwartet. Im Gegenteil – sie bleibt bei niedriger Temperatur nahezu konstant.
„Bisherige Theorien sagten einen signifikanten Abfall der Reaktionswahrscheinlichkeit bei niedrigen Temperaturen voraus, diesen konnten wir aber weder im Experiment noch in neuen theoretischen Rechnungen unserer Kolleg*innen nachweisen“, erklärte Dr. Holger Kreckel vom MPIK. Und weiter: „Die Reaktionen von HeH⁺ mit neutralem Wasserstoff und Deuterium scheinen daher für die Chemie im frühen Universum weitaus wichtiger gewesen zu sein als bisher angenommen.“
Simulationen bestätigen: Frühere Modelle waren ungenau
Parallel zum Experiment arbeiteten theoretische Physiker*innen an neuen quantenmechanischen Berechnungen. Sie entdeckten einen Fehler in der bisherigen Darstellung der sogenannten Potentialenergiefläche – also der Energieverteilung während einer chemischen Reaktion. Die alte Version enthielt eine künstliche Reaktionsbarriere, die es in Wirklichkeit offenbar gar nicht gibt.
Mit der korrigierten Fläche ließ sich die Reaktionsrate nun realistisch simulieren – und sie stimmte exakt mit den Messergebnissen des CSR-Experiments überein.
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Die Ergebnisse zeigen: HeH⁺ war vermutlich seltener als bisher angenommen. Denn es reagierte schneller und häufiger mit H- und D-Atomen – und verwandelte sich in andere Moleküle. Das hat gleich mehrere Konsequenzen:
- Die Bildung von Wasserstoffmolekülen (H₂ und HD) verlief effizienter.
- Gaswolken konnten schneller abkühlen.
- Sterne entstanden womöglich früher als gedacht.
Astrophysikalische Modelle müssen deshalb angepasst werden. Die neuen Reaktionsraten wurden bereits in Formeln überführt, die sich in bestehende Simulationsdatenbanken integrieren lassen. Sie gelten für ein breites Temperaturspektrum – von 10 bis 40.000 Kelvin.
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