Doktorand erschafft das gesamte Universum in einer Flasche und produziert kosmischen Staub auf Abruf

Ein Doktorand in Sydney hat etwas vollbracht, das sich wie ein sehr aufwendiges Chemieprojekt für zu Hause anhört: kosmischen Staub von Grund auf neu herzustellen, indem er ein kleines Stück des Universums in einer Laborflasche nachbildet. Das Experiment liefert neue Hinweise darauf, wie sich einige der chemischen Bestandteile des Lebens entwickelt haben könnten, noch bevor die Erde überhaupt entstand.

Linda Losurdo, Doktorandin in Material- und Plasmaphysik an der University of Sydney, kombinierte Stickstoff, Kohlendioxid und Acetylen, um die energiereichen Bedingungen in der Nähe von Sternen und Supernova-Überresten zu simulieren. Anschließend setzte sie die Gase einer starken elektrischen Ladung aus. Der Prozess erzeugte kohlenstoffreichen Staub, der dem Material ähnelt, das durch den interstellaren Raum schwebt und in Kometen, Asteroiden und Meteoriten konserviert ist. Die Ergebnisse wurden im Astrophysical Journal der American Astronomical Society veröffentlicht.

Der Laborstaub enthält komplexe Kombinationen von Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff – zusammen als CHON-Moleküle bekannt –, die in vielen organischen Substanzen vorkommen, die für das Leben als wichtig erachtet werden. „Wir müssen nicht mehr darauf warten, dass ein Asteroid oder Komet zur Erde kommt, um ihre Geschichte zu verstehen“, sagte Frau Losurdo. „Man kann analoge Umgebungen im Labor aufbauen und ihre Struktur mithilfe der Infrarot-Fingerabdrücke rückentwickeln.“ Sie fügte hinzu: „Es ist, als hätten wir ein kleines Stück des Universums in einer Flasche in unserem Labor nachgebildet.“

Im Weltraum entsteht kosmischer Staub unter extremen Bedingungen, bei denen Moleküle wiederholt von Ionen und Elektronen getroffen werden, was chemische Reaktionen auslöst, die immer komplexere Materialien erzeugen. Astronomen identifizieren verschiedene Arten von kosmischem Staub, indem sie das von ihnen ausgestrahlte Infrarotlicht untersuchen – molekulare Fingerabdrücke, die die chemische Struktur verraten. Losurdos Laborproben erzeugten dieselben charakteristischen Infrarotsignaturen, die im Weltraum beobachtet werden, was darauf hindeutet, dass das Experiment reale kosmische Prozesse genau nachbildet.

Wie das Leben auf der Erde begann, bleibt eine der größten unbeantworteten Fragen der Wissenschaft. Forscher untersuchen, ob die ersten organischen Moleküle auf dem jungen Planeten entstanden, mit Kometen und Meteoriten ankamen, während das Sonnensystem noch Gestalt annahm, oder aus einer Kombination resultierten. Vor etwa 4,56 Milliarden bis 3,5 Milliarden Jahren trafen Meteoriten, Mikrometeoriten und interplanetare Staubpartikel wiederholt auf die Erde und brachten enorme Mengen organischen Materials mit. Doch wo dieses Material ursprünglich entstand und welche Prozesse es hervorbrachten, ist noch ungewiss.

„Es wird angenommen, dass kovalent gebundener Kohlenstoff und Wasserstoff in Kometen- und Asteroidenmaterial in den äußeren Hüllen von Sternen, bei energiereichen Ereignissen wie Supernovae und in interstellaren Umgebungen entstanden sind“, sagte Frau Losurdo. „Was wir zu verstehen versuchen, sind die spezifischen chemischen Wege und Bedingungen, die alle CHON-Elemente in die komplexen organischen Strukturen einbauen, die wir in kosmischem Staub und Meteoriten sehen.“

Losurdo führte das Experiment mit ihrem Betreuer, Professor David McKenzie, durch. Sie verwendeten zunächst eine Vakuumpumpe, um die Luft aus Glasröhren zu entfernen und eine fast leere Weltraumumgebung zu schaffen. Dann füllten sie die Röhren mit Stickstoff, Kohlendioxid und Acetylen. Etwa eine Stunde lang wurde die Gasmischung einem elektrischen Potential von rund 10.000 Volt ausgesetzt, wodurch ein Glimmentladungsplasma entstand. Die intensive Energie spaltete die ursprünglichen Moleküle auf, und ihre Bestandteile rekombinierten zu größeren, komplexeren chemischen Strukturen. Das neu gebildete Material setzte sich auf Siliziumchips in den Röhren ab und hinterließ eine dünne Staubschicht – in einigen Proben glich sie funkelnden Fragmenten kosmischen Materials.

McKenzie sagte, dass die Herstellung dieses Staubs auf der Erde Wissenschaftlern Zugang zu Bedingungen verschafft, die im Weltraum nicht einfach direkt untersucht werden können. „Indem wir kosmischen Staub im Labor herstellen, können wir die Intensität der Ionenaufprälle und Temperaturen erforschen, die bei der Staubbildung im Weltraum eine Rolle spielen“, sagte er. „Das ist wichtig, wenn man die Umgebungen in kosmischen Staubwolken verstehen will, in denen“