SCHWERES METHANOL, ENDLICH IM ALL GEFUNDEN

Deuterium ist das schwere Isotop des Wasserstoffs. In unserer Galaxie kommen auf 100.000 Wasserstoffatome etwa 1,6 Deuteriumatome. Doch in den kalten, dichten Kernen von Molekülwolken, in denen Sterne entstehen, können deuteriumhaltige Moleküle um Größenordnungen häufiger sein, als dieses Verhältnis nahelegt. Bei so niedrigen Temperaturen schleusen einige Schlüsselreaktionen stetig Deuterium in Moleküle, und der Effekt wächst mit der Zeit. Die Deuteriummenge in einem Molekül kann daher verraten, wann und wo es entstanden ist.

Das häufigste komplexe Molekül

Methanol (CH₃OH) ist das häufigste „komplexe organische Molekül“ – kohlenstoffhaltige Moleküle aus sechs oder mehr Atomen – in Sternentstehungsgebieten. Es bildet sich vor allem in den Eismänteln von Staubkörnern während der kalten Phase, bevor ein Stern zündet, und ist ein Sprungbrett zu komplexeren Molekülen.

Methanol hat vier Wasserstoffatome: drei am Kohlenstoffende, eines am Sauerstoffende. Varianten mit einem, zwei oder drei Deuteriumatomen auf der Kohlenstoffseite waren im All bereits nachgewiesen worden. Für die vollständig deuterierte Form CD₃OD, in der alle vier Deuterium sind, gab es bisher nur Hinweise. Laborvorhersagen ihrer Radiosignatur gibt es seit 2023.

Zehn Linien von IRAS4A2

A. Belloche vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und Kollegen aus Europa, den USA und Asien nutzten COMPASS, eine große Durchmusterung mit dem Radioteleskop-Verbund ALMA von elf jungen, massearmen Sternen mit „heißen Corinos“ (hot corinos) – warmen, kompakten Zonen, in denen eisige Moleküle verdampfen und bei Radiowellenlängen leuchten. Sie konzentrierten sich auf IRAS4A2, einen Stern eines Paares in der Wolke NGC 1333, 290 Parsec entfernt. Dort wurde auch vollständig deuteriertes Ammoniak erstmals um einen jungen Stern identifiziert.

Beim Abtasten der Himmelsfrequenzen von 279 bis 312 Gigahertz modellierte das Team die Emission von Methanol und all seinen Varianten bei einer Temperatur von etwa 200 Kelvin. Jede Methanolvariante mit öffentlich verfügbarem Radio-Fingerabdruck tauchte auf. Darunter: CD₃OD, mit zehn klar nachgewiesenen Linien. Es ist der erste robuste Nachweis von vollständig deuteriertem Methanol im All – und, wie die Autoren anmerken, die erste Identifizierung irgendeines Moleküls mit vier Deuteriumatomen im interstellaren Medium. Es macht dort etwa 4 von 10.000 Teilen des Methanols aus.

Methanol, das sich versteckt

Damit kam ein Rätsel. Im Vergleich zu seinen seltenen Varianten mit Kohlenstoff-13 und Sauerstoff-18 schien gewöhnliches Methanol viel zu knapp – etwa 7- bis 11-mal zu wenig –, während die seltenen Varianten untereinander stimmig waren. Die Autoren folgern, dass die Menge an gewöhnlichem Methanol wahrscheinlich unterschätzt wird, vielleicht weil seine Emission aus Klumpen statt aus einer gleichmäßigen Wolke stammt. Deshalb nutzten sie die seltenen Varianten als Ersatz, um die Deuteriumverhältnisse zu berechnen.

Deuterium häuft sich über den Zufall hinaus an

Würde Deuterium den Wasserstoff einfach zufällig mit fester Wahrscheinlichkeit ersetzen, wiese jede Variante auf dasselbe Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff hin. Stattdessen steigt das abgeleitete Verhältnis mit der Zahl der Deuteriumatome: etwa 1 % für die einfach deuterierten Formen, 9 bis 23 % für zweifach und dreifach deuterierte und rund 41 % beim Vergleich von CD₃OD mit CH₃OD. Das Muster in IRAS4A2 gleicht fast exakt dem eines anderen jungen Sterns, BHR71-IRS1, und ähnelt dem anderer massearmer Protosterne.

Die Modelle verfehlen das schwere Ende

Das Team verglich diese Verhältnisse mit fünf veröffentlichten chemischen Modellen dazu, wie sich Methanol und seine deuterierten Formen aufbauen. Alle unterschätzen die mehrfach deuterierten Formen, typischerweise um ein bis zwei Größenordnungen – und bei CD₃OD in einem Modell um etwa fünf Größenordnungen. Das Urteil der Autoren: Den heutigen Modellen fehlt eine Schlüsselzutat, die stark deuteriertes Methanol begünstigt.

Der Nachweis liefert auch eine Vorhersage. Zwei verbleibende Varianten, CH₂DOD und CHD₂OD, sollten in IRAS4A2 leicht zu entdecken sein, sobald Laborspektroskopiker ihre Radiosignaturen liefern. Ein schärferer Blick mit höherer Winkelauflösung könnte zudem zeigen, ob das Methanol tatsächlich in Klumpen sitzt.