DER PHOSPHOR DES LEBENS, GEBOREN ZWISCHEN DEN STERNEN

Phosphor ist im Kosmos knapp. In der Sonnenatmosphäre kommen auf 10 Millionen Wasserstoffatome etwa 3 Phosphoratome — rund hundertmal weniger als Schwefelatome. Und doch kommt das Leben nicht ohne ihn aus: Phosphate sind unverzichtbar für DNA und RNA, die Träger der Erbinformation, für ATP und für Phospholipide.

Wie Phosphor für die erste Chemie des Lebens verfügbar wurde, ist noch eine offene Frage. Ein Hinweis, den die Autoren anführen: In den vom Asteroiden Ryugu zurückgebrachten Proben fanden sich ungewöhnlich phosphorreiche Körner, anders als die anderer Meteoriten — ein Indiz, dass Gesteinsbrocken aus dem All der jungen Erde Phosphor geliefert haben könnten.

Eine kurze Liste von Molekülen

Radioastronomen haben im interstellaren Raum mehr als 40 schwefelhaltige Moleküle identifiziert. Bei Molekülen, die Phosphor an Kohlenstoff binden, endet die Liste bei drei: CP, CCP und HCP, alle in den Hüllen alter, kohlenstoffreicher Sterne gefunden, dazu ein vorläufiger Nachweis. Chemiker haben viele komplexere Kandidaten vorgeschlagen, doch wie sie entstehen und zerstört werden, ist kaum bekannt.

In diffusen Gaswolken liegt Phosphor überwiegend als positives Ion vor, P⁺. Eine Reaktion schien besonders vielversprechend: P⁺ trifft auf Acetylen (C₂H₂), ein häufiges Kohlenstoffmolekül. Ihre einzige Messung stammt von 1989–1990, bei Raumtemperatur, und Astrochemie-Datenbanken nehmen einfach bei jeder Temperatur dieselbe Rate an. Eine Rechnung von 2012 sagte dagegen eine zehnmal geringere Rate voraus. Etwas passte nicht zusammen.

Ionen treffen bei SOLEIL auf Acetylen

Matteo Michielan, Daniela Ascenzi (Universität Trient, Italien), Alexandre Zanchet (CSIC, Madrid) und Kollegen in Frankreich, Spanien und Tschechien gingen zurück ins Labor. Am Synchrotron SOLEIL bei Paris erzeugten sie Phosphor-Ionen, indem sie Phosphortrichlorid-Moleküle mit ultraviolettem Licht spalteten; die Energie wählten sie sorgfältig so, dass nur Ionen in ihrem energieärmsten Zustand entstanden — eine Wahl, die sie mit einer separaten Testreaktion überprüften.

Dann leiteten sie die Ionen durch eine Zelle mit Acetylen bei sehr niedrigem Druck, sodass jedes Ion höchstens einmal zusammenstieß, und zählten die Produkte mit Massenspektrometern, bei Stoßenergien von 0,1 bis 10 Elektronenvolt. Quantenchemische Rechnungen und ein verbessertes Modell dafür, wie sich die beiden Partner anziehen, vervollständigten das Bild.

Ein Produkt dominiert

Bei niedriger Energie gilt:

• 99 % der Reaktionen erzeugen das Ion HCCP⁺ plus ein Wasserstoffatom;
• 1 % erzeugen CCP⁺ plus ein Wasserstoffmolekül — zehnmal mehr, als die Rechnung von 2012 vorhersagte.

Der CCP⁺-Kanal dürfte für Ionen in ihrem üblichen magnetischen „Spin“-Zustand eigentlich gar nicht offen sein. Sein Auftreten zeigt, dass das stoßende Paar während der Begegnung seinen Spin umklappen kann, ein Vorgang namens Intersystem Crossing. Die Autoren erklären dies mit schwach gebundenen Komplexen, die lange genug bestehen, damit das Umklappen geschehen kann — umso mehr bei niedriger Energie.

Ein drittes Produkt, das 1989–1990 gemeldet worden war, ein zusammengesetztes Molekül, tauchte nie auf. Das Team führt es auf den höheren Druck der älteren Technik zurück und erwartet es im All nicht.

Schneller in der Kälte

Als sie ihre Messungen in Reaktionsraten von 10 bis 5.000 Kelvin umrechneten, fanden sie 1,1 × 10⁻⁹ cm³ pro Sekunde bei Raumtemperatur — nahe am alten Wert —, aber eine Rate, die mit sinkender Temperatur steigt und bei 10 Kelvin 1,3 × 10⁻⁹ erreicht, statt des bisher verwendeten konstanten Werts. Der Grund: Die langgestreckte elektrische Ladungsverteilung des Acetylens zieht das Ion stärker an, als das Standardmodell annimmt. Sie liefern die Formeln direkt zum Einsetzen in Astrochemie-Datenbanken.

Um einen alten Kohlenstoffstern

Das Team fügte die Reaktion in ein chemisches Modell von IRC +10216 ein, einem entwickelten, kohlenstoffreichen Stern, umgeben von einer Hülle, in der mehrere Phosphormoleküle nachgewiesen wurden. Phosphor-Ionen leben überwiegend in den äußeren Schichten, Acetylen in den inneren, doch beide überlappen bei etwa 3 × 10¹⁶ Zentimetern vom Stern. Dort wird die Reaktion zur Haupttür zu phosphorhaltigen Ionen und zur Hauptquelle von HCCP⁺. In interstellaren Wolken könnte HCCP⁺, das ein Elektron einfängt, dann CP und CCP liefern — zwei der drei bereits gesehenen Moleküle.

Das Modell sagt HCCP⁺ und CCP⁺ in vergleichbaren Mengen voraus. Um es zu prüfen, müssen Teleskope sie finden — und zuvor braucht es Labormessungen ihrer Radiosignaturen, die nach Kenntnis der Autoren noch nie durchgeführt wurden.