Interstellaire wolken zijn de geboorteplaatsen van nieuwe sterren, maar ze spelen ook een belangrijke rol bij het ontstaan ​​van leven in het heelal via gebieden van stof en gas waarin zich chemische verbindingen vormen. De onderzoeksgroep, moleculaire systemen, onder leiding van ERC-prijswinnaar Roland Wester aan het Instituut voor ionenfysica en toegepaste fysica aan de Universiteit van Innsbruck, heeft zichzelf tot taak gesteld om de ontwikkeling van elementaire moleculen in de ruimte beter te begrijpen. "Simpel gezegd, onze ionenval stelt ons in staat om de omstandigheden in de ruimte in ons laboratorium na te bootsen, " legt Roland Wester uit. "Met dit apparaat kunnen we de vorming van chemische verbindingen in detail bestuderen." De wetenschappers die met Roland Wester samenwerken, hebben nu een verklaring gevonden voor hoe negatief geladen moleculen zich in de ruimte vormen.

Een idee gebouwd op theoretische fundamenten

Vóór de ontdekking van de eerste negatief geladen koolstofmoleculen in de ruimte in 2006, er werd aangenomen dat interstellaire wolken alleen positief geladen ionen bevatten. Vanaf dat moment, het is een open vraag geweest hoe negatief geladen ionen worden gevormd. De Italiaanse theoreticus Franco A. Gianturco, die al acht jaar als wetenschapper aan de Universiteit van Innsbruck werkt, enkele jaren geleden een theoretisch kader ontwikkeld dat een mogelijke verklaring zou kunnen bieden. Het bestaan ​​van zwak gebonden staten, zogenaamde dipoolgebonden staten, zou de hechting van vrije elektronen aan lineaire moleculen moeten verbeteren. Dergelijke moleculen hebben een permanent dipoolmoment dat de interactie op relatief grote afstand van de neutrale kern versterkt en de vangsnelheid van vrije elektronen verhoogt.

Dipoolgebonden toestanden in het laboratorium observeren

In hun experiment hebben de natuurkundigen van Innsbruck creëerden moleculen bestaande uit drie koolstofatomen en één stikstofatoom, ioniseerde ze, en beschoten ze met laserlicht in de ionenval bij extreem lage temperaturen. Ze veranderden continu de frequentie van het licht totdat de energie groot genoeg was om een ​​elektron uit het molecuul te werpen. Albert Einstein beschreef dit zogenaamde foto-elektrische effect 100 jaar geleden. Een diepgaande analyse van de meetgegevens door de beginnende onderzoeker Malcolm Simpson uit de doctoraatsopleiding, atomen, licht en moleculen aan de Universiteit van Innsbruck werpen eindelijk licht op dit moeilijk waarneembare fenomeen. Een vergelijking van de gegevens met een theoretisch model leverde uiteindelijk duidelijk bewijs voor het bestaan ​​van dipoolgebonden toestanden. "Onze interpretatie is dat deze dipoolgebonden toestanden een soort deuropener vormen voor de binding van vrije elektronen aan moleculen, en draagt ​​zo bij aan het ontstaan ​​van negatieve ionen in de ruimte, ", zegt Roland Wester. "Zonder deze tussenstap, het zou zeer onwaarschijnlijk zijn dat elektronen zich daadwerkelijk aan de moleculen zouden binden."