Laborspektroskopie von C60+ und komplexen organischen Molekülionen: von den Infrarotemissionen zu den Diffusen Interstellaren Banden

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Holger Kreckel
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263000846

Die Laborspektroskopie von Molekülen mit Relevanz für die Chemie des Interstellaren Mediums (ISM) stellt eine große Herausforderung dar. Der Mangel an zuverlässigen experimentellen Daten zeigt sich in der großen Anzahl unidentifizierter Linien und ungeklärten Problemen wie den Diffusen Interstellaren Banden (DIBs) und den Unidentifizierten Infrarot Emissionen (UIRs). Eine großangelegte Initiative in der Laborastrophysik wird notwendig sein, um spektroskopische Informationen bereitzustellen für die Analyse der Daten die moderne Teleskope in den nächsten Jahren liefern werden. Als besonders schwierig gestaltet sich bisher die Spektroskopie von großen Molekülionen wie Fullerenen and Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAHs). Obwohl schon lange vermutet wird, dass PAH-Ionen für die beobachteten Emissionen im mittleren Infrarotbereich verantwortlich sind, gibt es praktisch keine experimentellen Emissionsspektren für diese wichtige Klasse von Molekülen. Ein anderes Beispiel ist das Fullerenion C60+, das schon seit über 20 Jahren im Verdacht steht für zwei der DIB-Übergänge verantwortlich zu sein. Der definitive Beweis dieser These könnte nur anhand von experimentellen Daten in der Gasphase erfolgen, die aber bis heute nicht vorliegen. Wir schlagen in diesem Antrag die Entwicklung einer neuartigen Gasphasenspektroskopie vor, die auf der Beobachtung von laserinduzierter Vibrationsemission basiert. Wir beabsichtigen Fullerenionen und geladene PAHs in einer kryogenen Ionenstrahlfalle unter extremen Vakuumbedingungen zu speichern. In der Falle werden die Ionen mit verstimmbarer Laserstrahlung im Bereich vom Nahinfrarot bis zum Ultraviolett bestrahlt. Die Laserstrahlung heizt die Ionen auf und die absorbierte Energie wird über Vibrationsübergänge im mittleren Infrarot wieder abgestrahlt. Der gleiche Vorgang ist für das Aufheizen und Abkühlen von organischen Molekülen im ISM verantwortlich. Wir werden diesen Prozess in Echtzeit beobachten, indem wir die emittierte Infrarotstrahlung mit hochsensitiven Si:As Dioden detektieren. Die Detektoren arbeiten dabei mit dem gleichen Prinzip das für die Instrumentierung von Teleskopen genutzt wird. Durch das Aufzeichnen der emittierten Intensität als Funktion der Laserwellenlänge ergeben sich unverfälschte Spektren großer Molekülionen in der Gasphase. Die existierende Ionenstrahlfalle am MPIK stellt dabei ein ideales Labor mit ultimativen Vakuumbedingungen (<10-12 mbar) bei interstellaren Temperaturen um 10 K bereit. Unser erstes Ziel wird die Spektroskopie von C60+ sein, aber in weiteren Experimenten soll das gleiche Messprinzip auf PAH-Ionen und Kohlenstoffketten angewandt werden. Da elektrostatische Ionenfallen nunmehr weltweit Einzug in Labore halten, kann die erfolgreiche Demonstration dieser Technik einen einzigartigen Zugang eröffnen zur Gasphasenspektroskopie von komplexen organischen Molekülen, und zu einem besseren Verständnis des Kohlenstoffhaushalts im ISM.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1573: Physics of the Interstellar Medium