Suche von Trägern von Diffusen Interstellaren Banden

1922 entdeckte Mary Lea Heger Absorptionslinien im Licht von Sternen, die hinter diffusen interstellaren Wolken liegen. Inzwischen sind in etwa 600 solcher Linien im nahen Infrarot, im Bereich der Ultraviolettstrahlung und im sichtbaren Bereich des Spektrums nachgewiesen. Lediglich fünf Linien konnten bisher einem Träger zugeordnet werden. Es handelt sich dabei um C60+. Im diesem internationalen Gemeinschaftsprojekt planen zwei Forschungsgruppen aus Innsbruck und Jena weitere Träger von diffusen interstellaren Banden (DIBs) zu finden. Astronomische Beobachtungen weisen auf einen molekularen Ursprung der DIBs hin. Diese Moleküle dürfen durch UV-Licht, welches die diffusen interstellaren Wolken durchdringt, nicht zerstört werden. Kohlenstoffhaltige Moleküle, wie Fullerene oder polyzyklisch aromatische Kohlenwasserstoffe werden in der Literatur oft als geeignete Kandidaten erwähnt. Allerdings werden diese großen Moleküle durch UV-Licht effektiv ionisiert, sodass positiv geladene Ionen, wie eben C60+, die Träger der DIBs sind. Ionen lassen sich nur in geringer Dichte herstellen und daher müssen spezielle Methoden zu deren Spektroskopie verwendet werden. Im vorliegenden Projekt werden schwach gebundene Komplexe dieser Ionen mit He oder Wasserstoffmolekülen im Inneren von dotierten Heliumnanotröpfchen erzeugt. Neben den geladenen Dotanten werden auch Cluster und neuartige Reaktionsprodukte, wie z.B. Ketten aus Fullerenen, erzeugt. Der Zerfall dieser Komplexe kann nun als Funktion der Lichtwellenlänge gemessen werden. Mittels eines sehr effektiven Verfahrens, das in Innsbruck entwickelt wurde, lassen sich ganze Serien an Ionen in einem Scan messen, der nur wenige Tage dauert. Allerdings lassen sich die Absorptionslinien dabei nur relativ grob bestimmen. Der Partner in Jena hat jedoch entsprechend präzise Laser, mit denen die zuvor in Innsbruck bestimmten Absorptionslinien sehr genau bestimmt werden können. Der starke astronomische Background der Gruppe in Jena und eine bereits existierende Zusammenarbeit zwischen Jena und Manfred Kappes in Karlsruhe erlauben es, interessante Moleküle vorab zu identifizieren und anschließend im Rahmen dieses Projekts zu untersuchen. Zwei PhD Studierende werden die Experimente an einer bestehenden und einer neuen Apparatur durchführen. Letztere wird im ersten Jahr dieses Projekts aufgebaut und für die Spektroskopie von ionisierten Komplexen optimiert. Unterstützt und betreut werden die Studierenden vom Antragsteller, erfahrenen Postdocs der Innsbrucker Gruppe und dem deutschen Partner in Jena.

Vor mehr als 100 Jahren entdeckte die Astronomin Mary Lea Heger seltsame Spektrallinien im Lichtspektrum eines Sterns, die viel unschärfer und diffuser waren als die Linien, die in den äußeren Schichten eines Sterns durch Gase erzeugt werden. Inzwischen wurden über 500 solcher diffuser interstellarer Banden (DIBs) entdeckt und nur für fünf davon ein Träger zugewiesen werden. Dabei handelt es sich um das Kation C60+. Im vorliegenden Projekt war es das Ziel weitere Träger dieser DIBs zu identifizieren, bzw. mögliche Kandidaten auszuschließen. Gemeinsam mit dem deutschen Partner Dr. Serge Krasnokutski aus Jena bestimmten wir Absorptionsspektren von verschiedenen ionisierten polyzyklisch aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAHs) mittels Actionspektroskopie durch Heliumtagging. Neben kommerziell erhältlicher PAH Proben, wurden uns zwei Moleküle von der Gruppe von Prof. Holger Bettinger aus Tübingen zur Verfügung gestellt. Tagging von Ionen mit Helium verlangt spezielle aufwendige Methoden, wie kryogene Ionenfallen, kryogene Flowtubes oder Heliumtröpfchen. Im vorliegenden Projekt entdeckten wir eine neuartige Methode für Heliumtagging, die mehrere Größenordnungen effektiver ist, als bisherige Verfahren. Dies steigert die Empfindlichkeit und ermöglicht Messungen in wesentlich kürzeren Zeitspannen. Dabei werden große Heliumtröpfchen durch Elektronenstoß mehrfachgeladen und anschließend mit Atomen oder Molekülen dotiert. Auf diese Weise können einige hundert Ionen in jedem Tröpfchen erzeugt werden und durch entsprechende Teilchendichte der Dotanten können auch Cluster und Nanopartikel auf höchst effiziente Weise gebildet werden. Verglichen mit herkömmlichen Verfahren zur Erzeugung von Nanopartikel bietet deren Wachstum in hochgeladenen Heliumtröpfchen eine Reihe von Vorteilen, die zu einer Patentierung des Verfahrens geführt hat. Die in den Heliumtröpfchen eingebetteten Ionen lassen sich durch sanftes Verdampfen oder den Stoß mit einer sauberen Oberfläche aus dem Tröpfchen herauslösen. Bei beiden Methoden ist der Großteil der Ionen mit einigen Heliumatomen umhüllt. Die geringe Bindungsenergie von Helium an diese Ionen kann als Maß für die Temperatur der Ionen betrachtet werden. Diese beträgt wenige Kelvin und ist daher ähnlich zu den Temperaturen, die in interstellaren Wolken gemessen werden. Leider zeigte keine der gemessenen Absorptionslinien eine Übereinstimmung mit astronomischen Daten und die bisher untersuchten Ionen können daher als Träger von DIBs ausgeschlossen werden. Der Großteil der wissenschaftlichen Resultate aus dem vorliegenden Projekt wurde bereits in renommierten Journalen veröffentlicht und weitere Publikationen werden noch folgen. Ebenso konnten die Ergebnisse aufgrund der Pandemie speziell im Jahr 2022 auf vielen internationalen Tagungen dem Fachpublikum vorgestellt werden.