Astrochemie: Extraterrestrische Chemie

Stoffe und chemische Stoffumwandlungen gibt es nicht nur auf der Erde. Auch die Himmelskunde umfasst nicht nur Klassifikation und Kartografie von Himmelskörpern. Astronomie und Chemie berühren sich auf dem Gebiet der Astrochemie, da wo es um die Frage chemischer Reaktionen und Verbindungen im Weltraum geht, um die Analyse von Meteoritenmaterial, Mondgestein oder Kometenstaub. Kometen und Meteoriten sind dabei wie willkommene Boten, die uns hochinteressante Materialien aus fernen Gegenden des Weltraums bringen, ohne dass Raumsonden diese ansteuern müssen. Welche Kenntnisse braucht ein Astronom in der Chemie oder ein Chemiker in Astronomie? Und welche Themen der Chemie könnten von Interesse oder Bedeutung sein für das, was sich außerhalb unserer Erdatmosphäre abspielt und doch auf uns einwirkt? Dieses Dokument will solchen Fragen nachgehen und aufzeigen, was für die Chemie von den Vorgängen im All von Interesse kann. Typische Unterrichtsthemen wie Entstehung und Aufbau der Atome und Moleküle (aus denen Elemente und Verbindungen bestehen), Ablauf und Bedingungen chemischer Reaktionen und anorganische und organische Stoffklassen – sie alle finden sich auch auf dem Gebiet der außerirdischen Chemie wieder. Es sind die selben “Schöpfungs-Stoffe”. [...]

Komet C/1995 O1 Hale-Bopp

Schweifsterne wie dieser 1997 in Deutschland sichtbare Körper enthalten chemisch gesehen eine Fülle interessanter Moleküle und Verbindungen. Ursprünglich aus den kalten Tiefen großer Sonnenferne in das Zentrum des Planetensystems gelenkt, entwickeln diese tiefgefrorenen, “schmutzigen Schneebälle” eine “Koma” genanntes Gas- und Dampfwolke sowie einfache oder gar doppelte Schweife. Diese erstrecken sich zum Einen vom Kern aus gerade von der Sonne weg (Gasschweif, oft bis 100 Mio. km lang, viele verschiedene Gase; hier im Bild durch den Sonnenwind von unten nach oben gedrückt) und zum Anderen die seitlich abgelenkten Staubschweife. Bei Hale-Bopp entdeckte man erstmals einen dritten, hier auf dem Foto nicht sichtbaren Schweifstrang dazwischen, der aus Natriumatomen bestand. Sie entstammen offensichtlich dem Staubschweif. Auch auf Kometenkernen sind somit in Sonnenähe chemische Reaktionen zwischen Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff- und Natriumatomen möglich. [...]

Die Entstehung der Elemente (Geburt der Materie)

a) Der Urknall:

Vor rund 14-20 Milliarden Jahren begann das Universum sich explosionsartig von einem einzigen Punkt aus auszudehnen (“big bang”, Urknall), wobei es am Anfang unvorstellbare Energiemengen und dichte aufwies (Temperatur um 1032 Grad). Nach Ausdehnung und Abkühlung auf ca. 1028 Grad (10-32 Sekunden nach dem Urknall) konnten die “Quarks” entstehen, die sich 10-7 Sekunden nach dem Urknall bei 1014 Grad zu Nukleonen wie Proton(p+), Neutron(n), Elektron(e-), Antineutron(n*), Antiproton(p-) und Antielektron(e+) vereinigen konnten. Teilchenumwandlungen wurden möglich. [...]

b) Atomkernfusionsprozesse in Sternenzentren:

Mit jener ersten thermonuklearen Zündung in einem 1. Stern der 1. Generation begann die chemische Evolution der Materie, die Entstehung der schwereren Elemente. Am Ende ihrer Existenz explodieren Sterne – und setzen somit ihre Materie (inklusive der schwereren Elemente) frei. Als Stern der 2. oder 3. Generation enthielt unsere Sonne von Anfang an (sie entstand vor etwa 5 Milliarden Jahren) auch schwerere Elemente, – Atomsorten, die einst bei der Explosion von Sternriesen der 1. Generation ins All geschleudert wurde. Bei etwa 8 Millionen Grad Kelvin fusionieren Wasserstoffatome in Sternen zu Helium (ppI-Mechanismus, dreistufig): ...