Das 100-Meter-Radioteleskop bei Effelsberg in der Eifel spielt bei der Erforschung von Wasser im Universum eine wichtige Rolle – und das vor allem, wenn es um seinen Nachweis in sehr großen Entfernungen jenseits unserer Galaxis geht. Im Jahr 1977 entdeckte eine Forschergruppe vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn sowie der Sternwarten in Hamburg und Meudon in Frankreich mit diesem größten Radioteleskop Europas das Wassermolekül erstmals außerhalb unseres Milchstraßensystems. Sie fanden es in der knapp drei Millionen Lichtjahre von uns entfernten Galaxie Messier 33 im Sternbild Dreieck.

Mehr als 20 Jahre später schoben Astronomen diesen Entfernungsrekord um ein Vielfaches weiter hinaus – und wiederum war das 100-Meter-Radioteleskop beteiligt. Diesmal wiesen sie Wasser im Zentralbereich der aktiven Galaxie 3C 403 in rund 750 Millionen Lichtjahren Entfernung nach. Die Molekülstrahlung wird dabei durch den Maser-Effekt (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – das Äquivalent eines Lasers im Bereich von Radiowellen) so weit verstärkt, dass sie sich auch über diese großen Entfernungen noch nachweisen lässt. Als Quelle für Wasser-Maser in den weit entfernten Galaxien nehmen die Forscher heißes Gas und Staub an, die sich in einer Materie aufsammelnden Scheibe befinden, der Akkretionsscheibe: Diese umrunden die sehr massereichen Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien in geringem Abstand.

Und schließlich gelang es einer Forschergruppe unter der Leitung der italienischen Astronomin Violette Impellizzeri, die zur Zeit der Veröffentlichung Doktorandin am MPIfR war, ebenfalls mit dem Effelsberger Radioteleskop Wasser in der bisher größten bekannten Entfernung im Universum nachzuweisen: Das Wassermolekül wurde im Quasar MG J0414+0534 entdeckt, in einer Entfernung, die der Lichtlaufzeit von rund 11,1 Milliarden Jahren entspricht – der Rückschau in eine Zeit, als das Universum nur ein Fünftel seines heutigen Alters hatte.

Das Wasser in MG J0414+0534 ist vermutlich Bestandteil von Gas- und Staubwolken, die auf ein extrem massereiches Schwarzes Loch im Zentrum dieses weit entfernten Quasars einströmen. Diese Entdeckung von Wasser im frühen Universum wurde dadurch begünstigt, dass der Quasar MG J0414+0534 am Himmel zufällig in der gleichen Richtung steht wie eine Vordergrundgalaxie in geringerer Entfernung. Diese wirkt wie ein gewaltiges kosmisches Teleskop: Ihre Schwerkraft verstärkt das Licht des Quasars und verzerrt es gleichzeitig derart, dass vier separate Abbildungen des Quasars sichtbar werden. Ohne diesen Gravitationslinseneffekt hätte das 100-Meter-Teleskop volle 580 Tage Messzeit benötigt, um die Strahlung des Wassermoleküls sichtbar zu machen – so jedoch reichten lediglich 14 Stunden dafür aus.

Und noch ein weiterer glücklicher Umstand half beim erfolgreichen Nachweis des Wassers dort: Die Rotverschiebung dieser Galaxie ist gerade so groß, dass die Strahlung des Wassermoleküls von der ursprünglichen Frequenz von 22 Gigahertz auf rund sechs Gigahertz verschoben wird, und damit in den Frequenzbereich des am Effelsberger Radioteleskop eingesetzten Sechs-Gigahertz- Empfängers gelangt. Das Signal entspricht einer Leuchtkraft vom 10 000-Fachen der Sonnenleuchtkraft, und das in nur einer einzigen Spektrallinie.

Man kennt solche astrophysikalischen Maserquellen aus Gebieten mit heißem dichten Staub und Gas. Der Nachweis des Wassers in MG J0414+0534 zeigte erstmals eine derart dichte Gaswolke in der Frühzeit des Universums. Die Bedingungen zur Bildung und zum Fortbestehen des Wassermoleküls mussten also bereits zu einer Zeit nur 2,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall vorgelegen haben.

Die Entdeckung des Wasserstoffperoxids

Die Erforschung von Wasser im Universum ist nicht zuletzt für die Entstehung des Wassers auf unserer Erde von Interesse. Die Wissenschaftler nehmen an, dass ein überwiegender Anteil davon im Weltall entstanden ist, und sie sind sehr daran interessiert zu verstehen, wie dieser Prozess ablief. In diesem Zusammenhang stellt Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ein Schlüsselmolekül sowohl für Astronomen als auch für Chemiker dar. Seine Bildung ist eng mit zwei anderen, sehr vertrauten Molekülen verbunden, nämlich molekularem Sauerstoff (O₂) und Wasser (H₂O).

Beide Moleküle wiederum sind unverzichtbare Voraussetzungen für die Entstehung von Leben, zumindest solchem, wie wir es auf der Erde kennen. Zum ersten Mal ließen sich nun Moleküle von Wasserstoffperoxid im interstellaren Raum nachweisen. Das Forscherteam um den Schweden Per Bergman und Bérengère Parise vom MPIfR identifizierte die charakteristische Signatur von Wasserstoffperoxid im rund 400 Lichtjahre von der Erde entfernten Sternentstehungsgebiet Rho Ophiuchi im Sternbild Schlangenträger.

Dort befinden sich mit einer Temperatur von rund minus 250 Grad Celsius extrem kalte und dichte Gas- und Staubwolken, in denen neue Sterne geboren werden. Diese Wolken bestehen überwiegend aus Wasserstoff und sind versetzt mit Spuren anderer Elemente und Chemikalien. Dadurch stellen sie erstklassige Zielorte bei der Jagd nach Molekülen im interstellaren Raum dar. Der Nachweis von Wasserstoffperoxid ist extrem schwierig, da von Laborexperimenten zwar bekannt ist, bei welcher Wellenlänge dieses Molekül strahlt (rund 22 Gigahertz), aber seine Häufigkeit liegt nur bei einem Zehnmilliardstel der Häufigkeit von Wasserstoffmolekülen.

Zur Entdeckung solch geringer Spuren waren daher sehr sorgfältige Messungen erforderlich. Den gängigen Theorien nach bildet sich Wasserstoffperoxid im Weltraum auf der Oberfläche von Staubkörnern, also sehr feinen Partikeln, die Sand oder Ruß ähneln. Dabei verbindet sich atomarer Wasserstoff (H) mit Sauerstoffmolekülen (O₂). Eine weitere chemische Reaktion des Wasserstoffperoxids mit Wasserstoff kann dann zur Entstehung von Wasser (H₂O) führen. Allein schon der Nachweis von Wasserstoffperoxid trägt somit zum besseren Verständnis der Entstehung von Wasser im Universum bei. Seine Entdeckung mit APEX dürfte belegen, dass kosmischer Staub die bisher fehlende Zutat in diesem Prozess darstellt.

Zurzeit ist noch nicht bekannt, wie sich einige der wichtigsten irdischen Molekülarten im Weltraum bilden. Bérengère Parise beschäftigt sich im Rahmen ihrer Emmy- Noether-Forschungsgruppe zur Sternentstehung und Astrochemie damit, auf welche Weise sich die Prozesse zur Entstehung dieser wichtigen Moleküle miteinander in Verbindung bringen lassen. Vermutlich werden auch in Zukunft Beobachtungen mit beiden Teleskopen des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie, dem 100-Meter-Radioteleskop in der Eifel und dem Zwölf-Meter-Teleskop APEX in Chile, für die Erforschung solcher Prozesse von Bedeutung sein.