IM WELTRAUM GEWINNT DAS WENIGER STABILE MOLEKÜL

Viele im Weltraum gefundene Moleküle sind aus nur vier Elementen aufgebaut: Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff – den Bausteinen der organischen und präbiotischen Chemie. Richtig angeordnet, können sie die Peptidbindung bilden, –C(=O)–N(–H)–, die Aminosäuren zu Proteinen verknüpft. Die Autoren sehen in der Isocyanatgruppe, –N=C=O, ihre wesentliche Teilstruktur: dieselbe N–C–O-Kette. Von den mehr als 350 zwischen den Sternen identifizierten Molekülen trugen nur fünf sie, darunter die Isocyansäure, HNCO.

Zwei Wege, ein Proton anzulagern

Isocyansäure kann an zwei Stellen ein zusätzliches Proton aufnehmen. Am Stickstoff wird sie zu H₂NCO⁺, der stabilsten Anordnung, die im Weltraum bereits nachgewiesen wurde. Am Sauerstoff wird sie zu HNCOH⁺, einem Isomer – gleiche Atome, andere Anordnung –, das energetisch höher liegt, um 18 Kilokalorien pro Mol – die Energie eines Gases von etwa 9.000 Kelvin, weit jenseits der rund 100 Kelvin der Wolke.

Theorie und Labor deuteten darauf hin, dass die zweite Form nicht selten sein sollte. Neuere Berechnungen der Reaktion zwischen dem Ion H₃⁺ und HNCO, die als einer der Hauptwege gilt, auf denen diese Ionen entstehen, ergaben, dass sie in etwa 80 % der Fälle HNCOH⁺ liefert. In einem Laborexperiment war HNCOH⁺ doppelt so häufig wie H₂NCO⁺. Und einmal entstanden, kann sich HNCOH⁺ kaum in seinen stabilen Zwilling umwandeln: Eine hohe Energiebarriere steht im Weg. Dennoch hatte es im Weltraum noch niemand gesehen.

Eine von Kollisionen erschütterte Wolke

Marta Rey-Montejo vom spanischen Centro de Astrobiología und ihre Kolleginnen und Kollegen in Spanien, Deutschland, Japan, den Vereinigten Staaten und Chile richteten ihren Blick auf G+0.693-0.027, eine Molekülwolke nahe dem Zentrum der Milchstraße. Großräumige Stoßwellen, wahrscheinlich aus einer Kollision zwischen Wolken, reißen Material von den eisigen Mänteln und Kernen der Staubkörner ab und setzen es ins Gas frei. Das macht die Wolke zu einem der ergiebigsten Orte für die Entdeckung neuer Moleküle.

Sie nutzten eine ultratiefe Durchmusterung der Wolke durch drei Radioteleskope – das 40-Meter-Teleskop von Yebes, das 30-Meter-Teleskop des IRAM und APEX –, die fast 150 GHz an Frequenzen zwischen 31 und 275 GHz abdeckt.

Sieben Linien, ein Molekül

Ein Molekül, das im Weltraum rotiert, strahlt auf einer Leiter präziser Radiofrequenzen ab, die jeweils als schmale Spitze erscheinen – eine spektrale Linie. Nur die beiden untersten Sprossen von HNCOH⁺ waren im Labor gemessen worden, also extrapolierte das Team den Rest. Acht Sprossen fielen in den Bereich der Durchmusterung; sieben ließen sich auswerten, die achte lag unter einer Linie der Erdatmosphäre.

Alle passten zusammen. Die Anpassung ergibt eine Säulendichte von 9,9 × 10¹² Molekülen pro Quadratzentimeter entlang der Sichtlinie, eine Häufigkeit von etwa 7,3 × 10⁻¹¹ relativ zu molekularem Wasserstoff und eine Temperatur von etwa 24 Kelvin für die Rotation des Moleküls. Die meisten dieser Linien waren noch in keinem Labor gemessen worden; aus ihnen leitete das Team einen ersten Wert dafür ab, wie sich das rotierende Molekül dehnt, in enger Übereinstimmung mit quantenchemischen Berechnungen.

Die sieben Rotationslinien von HNCOH⁺ in Richtung G+0.693: beobachtetes Spektrum (grau), Anpassung für HNCOH⁺ (rot), alle bekannten Moleküle (blau). Die Struktur des Moleküls ist unten rechts dargestellt. — Abbildung 1, Rey-Montejo et al. (2026), arXiv:2610.39654.

Der weniger stabile Zwilling gewinnt

Mit neueren Daten maß das Team auch den stabilen Zwilling H₂NCO⁺ erneut: 2,6 × 10¹² pro Quadratzentimeter. Damit ist HNCOH⁺ 3,8-mal häufiger.

Würden sich die beiden Formen einfach nach ihren Energien einpendeln, wäre HNCOH⁺ bei der Temperatur der Wolke von etwa 70 bis 140 Kelvin um mehr als 20 Größenordnungen seltener als H₂NCO⁺. Stattdessen spiegelt seine Häufigkeit wider, wie es entsteht: Die Reaktion, die diese Ionen bildet, begünstigt die weniger stabile Form. Die Autoren merken an, dass andere Familien von Isomeren im Weltraum dasselbe Muster zeigen, mit energiereichen Formen, die ebenso häufig sind wie ihre stabilen Gegenstücke. Die beiden Ionen unterscheiden sich auch darin, wie schnell sie rotieren: HNCOH⁺ erscheint wärmer als H₂NCO⁺ (etwa 24 gegenüber 9 Kelvin, während das Gas selbst etwa 70 bis 140 Kelvin warm ist). Eine mögliche Erklärung, so die Autoren: HNCOH⁺ ist weniger polar, gibt seine Rotationsenergie daher weniger leicht als Radiowellen ab, und Stöße mit dem Gas lassen es schneller rotieren.

Sechs Moleküle, und es werden mehr

HNCOH⁺ ist das sechste im Weltraum gefundene Molekül, das die Isocyanatgruppe trägt. Die Autoren fordern eine eigene Laborstudie, um sein vollständiges Rotationsspektrum zu kartieren. Ihre umfassendere Lehre betrifft die Funktionsweise der Chemie zwischen den Sternen: Dort ist die stabilste Anordnung der Atome nicht unbedingt die häufigste – entscheidend ist der Weg, auf dem ein Molekül entsteht.