Hochauflösende Infrarot-Cavity-Ringdown Spektroskopie an reaktiven Molekülen in der Gasphase

• Antragsteller: Dr. Guido Fuchs; Professor Dr. Thomas Giesen
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326572190

Die überraschende chemische Vielfalt von Molekülen im Weltall ist in den unterschiedlichsten Regionen erkennbar. So verbinden sich Atome in der Umgebung alter sterbender Sterne zu Molekülen und dienen als Keime für die Staubproduktion (Beispiel: Siliziumcarbide). Die interstellaren Moleküle sind, anders als bei uns auf der Erde, oft ungesättigte Verbindungen die hochreaktiv sind oder sogar ionischer Natur (wie z.B. ionische Komplexe aus Wasserstoff oder Edelgasen). Diese, auf der Erde nur schwer herstellbaren Spezies, sind wertvolle Messsonden die zur Bestimmung lokaler physikalischer Bedingungen im Weltall herangezogen werden. Mit der seit neuestem vorliegenden Verfügbarkeit von hochauflösenden IR-Instrumenten an Teleskopen, wie EXES/SOFIA und TEXES/N-Gemini, ist ein besonderer Bedarf an IR-spektroskopischen Daten entstanden. Zudem ist für das Jahr 2018 mit dem Start des hochempfindlichen IR-Weltraum Teleskop James Webb zu rechnen. Somit ist es jetzt möglich den sonst durch die irdische Atmosphäre undurchlässigen Bereich des mittleren Infraroten (MIR) astrophysikalisch hochaufgelöst zu untersuchen. Es wird erwartet, dass die geplanten Liniendurchmusterungen zur Detektion vieler neuer Spezies führen wird, insbesondere von Molekülen die kein permanentes Dipolmoment besitzen und daher nicht bereits im Radiowellenlängenbereich untersucht werden konnten. Viele der vermuteten neuen Moleküle, die im mittleren Infrarotbereich besonders charakteristischen Spektren aufzeigen, sind jedoch noch nicht im Labor untersucht worden und ihre Spektren können auch nicht mit der für die astrophysikalischen Beobachtung nötigen Genauigkeit durch rein theoretische Modelle berechnet werden. Ohne neue Labormessungen ist die Datenlage äußerst unzureichend. Die Ursache für das Fehlen an experimentellen Daten hat mehrere Gründe. Zum einen ist es schwer die astrophysikalisch relevanten Moleküle in ausreichenden Mengen herzustellen, da diese meist nur sehr kurzlebig sind, zum anderen fehlen auch häufig geeignete Lichtquellen für die hochaufgelöste spektrale Untersuchung. Ziel dieser Arbeit ist es spektral hochaufgelöste und extrem empfindliche Messungen an astrophysikalisch relevanten Molekülen vorzunehmen. Als geeignete Lichtquellen sollen die erst seit neuerer Zeit erhältlichen leistungsstarken Quanten-Kaskadenlaser (QCLs) oberhalb 4.5 mu, sowie eines OPO Systems für den Bereich 2 - 4.7mu eingesetzt werden. Die Lasersysteme werden zentraler Bestandteil eines neu zu bauenden hochempfindlichen Cavity-Ringdown (CRD) Spektrometers sein. Kombiniert wird das IR-CRD Spektrometer mit speziellen Plasma-Molekülquellen (Laser-Ablation/elektr. Entladung) um in-situ hohe Molekülhäufigkeiten zu erzeugen. Mit Einstrahlung von Mikrowellen können Doppelresonanzexperimente durchgeführt werden die besonders zur Untersuchung von Plasmen geeignet sind. Es sind Messungen geplant an Siliziumcarbiden (z.B. Si2C2), sowie an ionischen Komplexen (z.B. [Ar-N2]+).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen