Ob in interstellaren Gaswolken, protoplanetaren Scheiben oder im Kometenstaub: Auch im Weltall gibt es organische Moleküle. Darunter sind einfache Kohlenwasserstoffe und Alkohole, aber auch Zucker, Aminosäuren und sogar DNA-Basen. Gängiger Annahme nach entstehen solche komplexen organischen Moleküle und Lebensbausteine durch Reaktionen einfacherer Vorformen auf den Staub- und Eiskörnchen kalter Molekülwolken – den Geburtsstätten neuer Sterne. Auch unser Sonnensystem und unsere Erde könnten einen Teil ihrer organischen Chemie von diesen Körnchen „geerbt“ haben.
Eine Schlüsselrolle für die kosmische Synthese von Lebensbausteinen spielt Methanol (CH₃OH). Dieser einfachste organische Alkohol gilt als Ausgangspunkt für die Reaktionsketten, durch die auf interstellarem Staub und Eis komplexere Moleküle entstehen. Dabei reagiert Methanol mit Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff zu immer größeren Verbindungen. Doch wie genau diese Reaktionen ablaufen und unter welchen Bedingungen, ist erst in Teilen geklärt.
Deuterium statt Wasserstoff
Deshalb haben Astronomen um Arnaud Belloche vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn nun mithilfe der ALMA-Radioteleskope in Chile nach einer bestimmten Methanol-Variante im Umfeld junger Sterne gesucht: nach deuterisiertem Methanol. Bei solchen Molekülen sind einer oder mehrere Wasserstoffatome durch das schwerere Wasserstoff-Isotop Deuterium ersetzt. Dieses hat zusätzlich zum Proton ein Neutron im Atomkern. Gängigen Modellen zufolge entstehen Moleküle mit einem hohen Deuteriumanteil vor allem unter sehr kalten Bedingungen.
Methanol mit normalen Wasserstoffatomen und mit Deuterium. — © Angèle Taillard/ Universität Toulouse/ IRAP
„Die Deuterierung ermöglicht es uns, die chemische Entwicklung von Molekülen während der Entstehung von Sternen und Planeten nachzuverfolgen“, erklärt Co-Autorin Silvia Spezzano, vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching. „So können wir ihre Chemie verstehen und letztlich auch, wie molekulare Komplexität von interstellaren Wolken auf Planetensysteme übertragen wird.“ Für ihre Studie zeichnete das Team Radiospektren von elf Jungsternen in der rund 1000 Lichtjahre entfernten Perseus-Molekülwolke auf.
Spektrallinien verraten deuteriertes Methanol
Tatsächlich wurden die Astronomen fündig: Im Spektrum des Protosterns IRAS4A2 entdeckten sie die spektrale Signatur nicht nur von Methanol, sondern auch von mehreren strukturellen und isotopischen Varianten dieses Alkohols. Darunter waren auch die Spektrallinien von vollständig deuteriertem Methanol (CD₃OD) – Methanol-Molekülen, bei denen alle Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt sind.
„Dies ist der erste gesicherte Nachweis von vollständig deuteriertem Methanol CD3OD im Weltall“, berichten Belloche und seine Kollegen. Gleichzeitig ist das von ihnen entdeckte „schwere“ Methanol auch das erste bekannte vierfach deuterierte Molekül im interstellaren Raum. Die Intensität der Spektrallinien verriet den Forschenden auch, wie hoch der Anteil der verschiedenen Methanol-Varianten am Protostern IRAS4A2 ist. Diese verglichen sie mit gängigen Modellen zur chemischen Zusamensetzung im Umfeld heranwachsender Sterne.
Viel häufiger als die Modelle vorhersagen
Das überraschende Ergebnis: Die vollständig deuterierte Form des Mthanols kommt um den Protostern IRAS4A2 etwa hundertmal häufiger vor als theoretisch vorhergesagt. Woher dieser Deuterium-Überschuss kommt, lässt sich bisher mit keinem der verfügbaren astrochemischen Modelle erklären. „Ein entscheidender Prozess, der die Bildung von mehrfach deuteriertem Methanol vorantreibt, scheint folglich in all diesen Modellen zu fehlen“, sagt Belloche.
Damit liefern diese Beobachtungen wertvolle Hinweise auf noch unentdeckte chemische Prozesse.
„Wir gewinnen hier völlig neue Einblicke in die komplexe Chemie, die in der Umgebung der jüngsten Protosterne abläuft“, erklärt Jes Jørgensen vom Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen. „Die spannende Frage ist, wie diese chemischen Bestandteile die Bedingungen auf Planeten und möglicherweise auch die Entstehung von Leben dort beeinflussen könnten.“
Noch viele nicht identifizierte Spektralsignaturen
Doch auch bei den spektralen Analysen aus der Kinderstube des Protosterns IRAS4A2 sind noch einige Fragen offen. So zeigten sich in den Spektren zahlreiche noch nicht identifizierte Spektrallinien. Von welchen Molekülen oder Molekülvarianten diese stammen, ist noch unbekannt. Belloche und sein Team vermuten aber, dass zumindest einige davon von Methanol-Molekülen stammen, die nur teilweise deuteriert sind. Auch einige andere bei den Jungsternen der Perseus-Wolke entdeckte Hinweise auf chemische Prozesse gebe noch Rätsel auf.
„Wir beginnen gerade erst, das Potenzial dieses Datensatzes zu erschließen“, sagt Jeong-Eun Lee von der Nationaluniversität Seoul in Südkorea. „Mit der Ausweitung der Analysen erwarten wir, völlig neue Aspekte der chemischen Entwicklung auf dem Weg zur Planetenentstehung aufzudecken.“ Neben dem Fachartikel von Belloche und seinem Team sind noch sechs weitere Veröffentlichungen zu den Resultaten dieses Projekts erschienen.
Quelle: Arnaud Belloche (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn) et al., Astronomy & Astrophysics, 2026; doi: 10.1051/0004-6361/202659642
