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Chemische Vielfalt im All

Die Materie zwischen den Sternen ist komplexer, als lange gedacht. Inzwischen wurden zahlreiche Moleküle identifiziert. Entstanden Bausteine des Lebens bereits im Weltraum?

Ein Beitrag von Rüdiger Vaas

Die Entwicklung des Universums ging mit einer atemberaubenden Steigerung seiner Komplexität einher. Das zeigt sich besonders in Gestalt menschlicher Gehirne, die 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall diese große Geschichte von allem zu erfassen suchen – und in denen sich der Kosmos gleichsam selbst bewusst wurde.

Heute kennen wir 118 chemische Elemente. Die schwersten davon sind künstlich erzeugt und äußerst kurzlebig. (Üblicherweise gelten alle ab Nummer 95, Americium, als synthetisch, obwohl auch einige dieser Transurane als temporäre Spurenelemente in der Natur nachgewiesen wurden.) In den ersten paar Dutzend Millionen Jahren gab es nur Wasserstoff und Helium in nennenswerter Zahl. Die schwereren sind durch die Kernfusion in Sternen oder, im Extremfall, bei deren brachialen Explosionen oder sogar Kollisionen entstanden. Die natürliche Nukleosynthese begann erstaunlich rasch. Wie neue Beobachtungen des James Webb Space Telescope zeigen, existierten bereits wenige 100 Millionen Jahre nach dem Beginn unseres Universums Sterne und Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff.

Diese elementare Evolution ist freilich nur der erste Schritt der materiellen Vielfalt. Im bloß scheinbar leeren Weltraum wimmelt es inzwischen von chemischen Verbindungen.

Interstellare Verbindungen

Das einfachste Molekül, der zweiatomige Wasserstoff (H2), ist auch das erste und häufigste im Universum. Doch dabei blieb es nicht. Astronomische Beobachtungen haben mittlerweile über 340 verschiedene Sorten von Molekülen in interstellaren Gaswolken sowie Gas- und Staubscheiben um andere Sterne entdeckt (Stand März 2026). Ein knappes Drittel besitzt nur zwei oder drei Atome, aber es gibt auch Moleküle mit zwölf und mehr – bis hin zu Fullerenen aus 60 und 70 Kohlenstoff-Atomen.

Neben simplen Verbindungen wie Natrium-, Kalium- und Aluminiumchlorid (NaCl, KCl, AlCl), Eisenhydrid (FeH), Schwefelwasserstoff (H2S), Cyanwasserstoff (HCN), Siliziumdioxid (SiO2), Ammoniak (NH3), Methan (CH4), Kohlenmonoxid und -dioxid (CO, CO2) wurden beispielsweise Formaldehyd (H2CO), Kohlensäure (H2CO3), Propin (C3H4), Ethanol (C2H6O) und Harnstoff (CH4N2O) identifiziert sowie aromatische Kohlenwasserstoffe, etwa Phenalin- und Naphtalin-Derivate. Sogar in anderen Galaxien wurden Moleküle nachgewiesen – bereits über 70 unterschiedliche.

Taurus-Molekülwolke im Sternbild Stier
Die Taurus-Molekülwolke im Sternbild Stier enthält eine Fülle komplexer chemischer Verbindungen. Sie ist rund 430 Lichtjahre entfernt. | © Keesscherer/Wikipedia

Atmosphären ferner Welten

Die chemische Evolution ist also nicht auf Planeten beschränkt, sondern startete schon vorher. Aber auch in den Atmosphären von Trabanten bei anderen Sternen sind zahlreiche Elemente sowie Moleküle anhand ihrer spektralen Absorptionslinien identifiziert worden: Auf mehr als 300 der momentan über 8.000 bekannten Exoplaneten wurden bislang insgesamt rund 70 verschiedene detektiert.

Beispielsweise enthält die Luft des Trabanten von HD 189733 im Sternbild Fuchs Wasserdampf, CO, CO2, NH3, CH4, FeH, H2S, HCN und SiO2. Der Himmelskörper ist etwas schwerer und größer als Jupiter und umkreist seinen 65 Lichtjahre von der Erde entfernten Stern einmal alle 2,2 Tage; die Distanz zu dem orangefarbenen Zwergstern ist so gering, dass sich die Atmosphäre des Gasriesen auf über 900 Grad Celsius aufgeheizt hat.

Von den wenigen bekannten nur erdgroßen Trabanten gibt es bislang kaum Daten. Bei einem der beiden Planeten des 41,1 Lichtjahre entfernten Roten Zwergsterns GJ 1132 im Sternbild Segel des Schiffes wurde Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und CO2 nachgewiesen. Und die Atmosphären der sieben Planeten um den Roten Zwerg TRAPPIST-1 im Sternbild im Sternbild Wassermann, 40,6 Lichtjahre Distanz, enthalten Wasserstoff, teilweise auch Helium.

Moleküle in Meteoriten

Die Erde ist nicht isoliert vom Weltraum. Nicht nur während ihrer Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren wurde sie vom All gespeist, sondern sie erhält bis heute kosmischen Nachschub in Form von einfallendem Staub (über 5000 Tonnen jährlich) sowie Meteoriten.

In zahlreichen dieser himmlischen Steine wurde eine Vielfalt chemischer Verbindungen nachgewiesen. Neben anorganischen Mineralien wie Olivin, Pyroxen und Eisen-Nickel-Legierungen, neben Schwefel- und Phosphorverbindungen wie Troilit (Eisensulfid) und Schreibersit (ein Eisen-Nickel-Phosphid) ließen sich zahlreiche komplexe organische Moleküle identifizieren, auch so komplexe wie (CH2)6N4 (Hexamethylentetramin). Darunter sind viele, die zu den Bausteinen irdischer Lebensformen gehören: Aldehyde, Alkohole, Amine und Aminosäuren. Die Nukleobasen der Erbsubstanz DNA/RNA (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin, Uracil) wurden ebenfalls gefunden sowie Pentosen, einschließlich der in der Erbsubstanz vorkommenden Ribose.

Besonders gut untersucht sind die Fragmente (insgesamt über 100 Kilogramm) eines geborstenen Meteoriten, der am 28. September 1969 in der Nähe von Murchison, Australien, die Erde traf. Spektroskopische Analysen identifizierten darin 14.000 Verbindungen, darunter 70 Aminosäuren. Mit anderen Methoden wurden ebenfalls Aminosäuren nachgewiesen: Glycin, Alanin und Glutaminsäure, auch ungewöhnliche wie Isovalin, Pseudoleucin und Diaminosäuren. Es konnten sogar Körnchen aus Siliciumcarbid identifiziert werden, die drei plus/minus zwei Milliarden Jahre älter als unser Sonnensystem sind – das älteste bisher auf der Erde gefundene Material.

Allerdings lässt sich nicht strikt ausschließen, dass manche Moleküle erst nachträglich in die Brocken aus dem All gelangten, dass die Messungen also kontaminiert waren. Denn Meteoriten werden in der Regel nicht sofort nach ihrem Aufprall auf die Erde gefunden, sondern oft erst viel später.

Proben von Planetoiden

Inzwischen gibt es jedoch auch direkte Proben aus dem All. Raumsonden haben sie von erdnahen Planetoiden genommen. Daraufhin wurden sie versiegelt zur Erde transportiert und in den Labors nach allen Regeln der modernsten chemischen Analytik untersucht.

Proben, die vom Geröll des Planetoiden Bennu entnommen wurden
Außerirdische Materie: a) und b) zeigen Proben, die vom Geröll des Planetoiden Bennu entnommen wurden | © Dante S. Lauretta et al.

Dieses Kunststück gelang zuerst der japanischen Raumfahrtagentur JAXA mithilfe der Sonden Hayabusa und Hayabusa 2 („Wanderfalke“). Erstere barg am 19. und 25. November 2005 einige Tausend Partikel mit Durchmessern von ein paar bis einigen Hundert Mikrometern von der Oberfläche des 350 Meter langen Planetoiden Itokawa; die Landung der Rückkehrkapsel erfolgte mit Fallschirm am 13. Juni 2010 im südlichen Australien. Die Nachfolgemission sammelte am 22. Februar und 11. Juli 2019 von dem 900 Meter messenden Planetoiden Ryugu 5,4 Gramm Gas und Staub auf; das Material wurde am 5. Dezember 2020 zur Erde gebracht, ebenfalls im Süden Australiens. Auch die NASA-Sonde OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security-Regolith Explorer) konnte am 20. Oktober 2020 Proben gewinnen: 121,6 Gramm von dem 500 Meter großen Planetoiden Bennu; die Kapsel ging am 24. September 2023 unbeschadet in der Großen Salzwüste im US-Bundesstaat Utah nieder.

Die Itokawa‑Partikel enthalten vorwiegend silikatische Mineralien (Olivin, Pyroxen), metallische Eisen-Nickel-Einschlüsse und Sulfide (vor allem Troilit). Hinzu kommen Spuren von gebundenem Wasser/Hydroxyl und organischer Materie (polyaromatische Kohlenstoffe und wohl Aminosäuren). In den Ryugu‑Proben fand man hauptsächlich hydratisierte Silikate, karbon- und sulfidhaltige Mineralphasen sowie umfangreiche organische Stoffe: makromolekulare Bestandteile sowie eine Vielzahl kleinerer Moleküle (Alkylamine, Carboxylate und mindestens 13 Aminosäuren). In den Bennu-Proben wurde eine erstaunliche Menge an Substanzen identifiziert. Darunter sind Silikat-Minerale, die einst durch den Kontakt mit Wasser chemisch verändert wurden; andere Mineralien, sogenannte Evaporite, entstanden bei der Eindampfung von Sole, also einer stark salzhaltigen Lösung. Unter den Salzen sind Natrium‑Carbonate, Phosphate, Sulfate sowie Chloride.

Bennu enthält viel Kohlenstoff und Stickstoff (rund 4,5 beziehungsweise 0,25 Gewichtsprozent). Es gibt Amine, Carboxylate, aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe. Auffällig ist ein hoher Gehalt an Ammoniak: eine Vorstufe für die Bildung präbiotischer organischer Verbindungen. Zudem konnten alle DNA/RNA-Nukleobasen sowie 14 der 20 für die irdische Protein-Biologie wichtigen Aminosäuren aufgespürt werden.

Diese Befunde sowie die von Meteoriten legen nahe, dass sich bereits die Urerde mit organischen Molekülen angereichert hatte. Inwiefern diese bei der Entstehung der ersten Lebensformen vor wohl mehr als 3,5 Milliarden Jahren beteiligt waren, ist unklar. Fest steht, dass das irdische Leben enger mit dem Universum insgesamt verbunden ist, als lange gedacht.

Headerbild | © Keesscherer/Wikipedia

Rüdiger Vaas

ist Publizist, Dozent sowie Astronomie- und Physik-Redakteur beim Monatsmagazin bild der wissenschaft und Autor von 16 Büchern. Demnächst erscheint Der intelligente Kosmos (Hirzel 2026).

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