Scientific Highlights

Die Entdeckung von TiO₂ im All: Laborspektroskopie schafft die Voraussetzung

Eine internationale Gruppe von Astronomen, unter ihnen Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, von der Universität zu Köln und vom Center for Astrophysics in Cambridge, MA, haben Titandioxid, TiO₂, zum ersten Mal im All entdeckt. Die Entdeckung gelang mit Hilfe von Radiointerferometern in den USA und in Frankreich bei Untersuchungen des Riesensterns VY Canis Majoris im Sternbild Großer Hund. Außerdem wurde Titanmonoxid (TiO) zum ersten Mal bei diesen Frequenzen entdeckt.

Die Voraussetzung für die Entdeckung von TiO₂ bei Frequenzen zwischen 220 und 350 GHz wurden erst durch voran gehende Laboruntersuchungen geschaffen. Diese beinhalteten die Untersuchungen von S. Brünken et al., "The Pure Rotational Spectrum of Titanium Dioxide, TiO₂", Astrophys. J. 676 (2008) 1367–1371 mit Hilfe der Fourier-Transform Mikrowellen-Spektroskopie zwischen 7 und 42 GHz an der Harvard University und von P. Kania et al., "Millimeter-Wave Spectroscopy of Titanium Dioxide, TiO₂", J. Mol. Spectrosc. 268 (2011) 173–176 basierend auf Labormessungen zwischen 248 und 345 GHz an der Universität zu Köln.

TiO₂ ist auf der Erde als der Hauptbestandteil des wichtigen Pigments Titanweiß bekannt. Es kommt auch in Sonnencremes vor und wird als Lebensmittelfarbstoff (E171) benutzt. Während markante atmosphärische Absorptionslinien von TiO bereits vor mehr als 100 Jahren in optischen Spektren von M- und S-Sternen entdeckt wurden und zur Klassifizierung dieser Sterne dienen, war TiO₂ bisher noch nicht im Weltall bekannt. Es wird allerdings vermutet, dass Cluster von Titanoxiden als "Kondensationskerne" für interstellaren Staub dienen.

Beobachtungen von TiO und TiO₂ können deshalb wichtige Hinweise auf die Entstehung von Staubpartikeln im All geben; dieser Prozess ist zur Zeit weit davon entfernt verstanden zu sein. Interstellarer Staub macht zwar ein bis allenfalls wenige Prozent der Materie im All aus, ist aber sehr wichtig für die Bildung vieler Moleküle, unter ihnen H₂ und komplexere organische Moleküle. Die katalytischen Eigenschaften von festem TiO₂ sind vermutlich wichtig in der Astrochemie. Siehe auch den Bericht auf der News-Seite des Instituts oder den wissenschaftlicher Artikel von T. Kaminski et al., Astron. Astrophys. 551 (2013) Art.-Nr. A113.

Siehe auch die Pressemitteilung des MPIfR.

(HSPM, SBr 2013-03-13)

The detection of TiO₂ in space: laboratory spectroscopy lays the foundation

An international team of astronomers, including researchers from the Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, from the Universität zu Köln, and from the Center for Astrophysics in Cambridge, MA, discovered titanium dioxide, TiO₂, for the first time in space. The detection was made in the course of the investigation of the giant star VY Canis Majoris in the constellation Greater Dog using radio telescope arrays in the USA and in France. In addition, titanium monoxide (TiO) was detected at these frequencies for the first time.

The foundation for the detection of TiO₂ at frequencies between 220 and 355 GHz was laid by the laboratory studies of S. Brünken et al., "The Pure Rotational Spectrum of Titanium Dioxide, TiO₂", Astrophys. J. 676 (2008) 1367–1371 using Fourier transform microwave spectroscopy between 7 and 42 GHz at Harvard University and of the P. Kania et al., "Millimeter-Wave Spectroscopy of Titanium Dioxide, TiO₂", J. Mol. Spectrosc. 268 (2011) 173–176 between 248 and 345 GHz at the Universität zu Köln.

TiO₂ is known on Earth as the main ingredient of the important white pigment "titanium white". It is also contained in sun block and is used for food coloring (E171). Whereas optical spectra of M- and S-stars show prominent atmospheric absorption lines of TiO, which were detected more than 100 years ago and which are used to classify these stars, TiO₂ had so far not been detected in space. It is believed, however, that clusters of titanium oxides act as "seeds" for interstellar dust.

Observations of TiO and TiO₂ may thus provide important clues on the dust formation process in space, which still is far from being well understood. Interstellar dust, though a minor constituent, is very important for the formation of many molecules in space, among them H₂ and complex organic molecules. The catalytic properties of bulk TiO₂ are likely important in astrochemistry. See also the report in the News section of the institute or the scientific article by T. Kaminski et al., Astron. Astrophys. 551 (2013) Art. No. A113..

See also the press release by the MPIfR.

(HSPM, SBr 2013-03-13)

Zwei neue, hoch komplexe Moleküle im Weltraum entdeckt

Eine Gruppe von Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, vom I. Physikalischen Institut in Köln und von der Cornell University in Ithaka (USA) gelang die Entdeckung gleich zweier neuer Moleküle, die zu den komplexesten zählen, die bislang im Weltall nachgewiesen wurden. Es handelt sich um n-Propylcyanid (C₃H₇CN), dem dritten Alkylcyanid nach Methyl- und Ethylcyanid, und um Ethylformiat (C₂H₅OCHO), dem zweiten Ester nach Methylformiat. Ester tragen zum Aroma vieler Stoffe bei; Ethlyformiat ist ein wichtiger Bestandteil des Aromas von u. a. Himbeeren und Rum.

Das IRAM-30m-Teleskop wurde benutzt, um Radiostrahlung des Sternentstehungsgebiets Sagittarius B2 in der Nähes des Zentrums unsrer Milchstraße im 3mm-Frequenzbereich aufzunehmen. Von insgesamt etwa 3700 aufgenommenen Spektrallinien konnten 36 diesen beiden zugeordnet werden.

Bereits kurz vorher hatte die Gruppe über die erstmalige Entdeckung von Aminoacetonitril berichtet, welches einen möglichen Vorläufer der Aminosäure Glycin (Aminoessigsäure) darstellt.

Pressemitteilung des MPIfR

A. Belloche et al., A&A 499, 215-232 (2009)

(2009-04)

Morino Lecturer 2009

The Morino foundation has selected and invited Prof. Dr. Stephan Schlemmer to Japan as a Morino lecturer for 2009. The lecture series will be held in May 2009 and comprise visits of Toyama, Nagoya University, Okayama University, Kyushu University (Hakata/Fukuoka), Hiroshima City University, and University of Tokyo. As part of the visit the "9th Symposium on Molecular Spectroscopy" will be held in Toyama University which most of the Japanese high-resolution spectroscopists will attend.

(2008-12)

Oliver Baum has been awarded with the "Josef Pliva Prize"

At the "20th International Conference on High Resolution Spectroscopy", Prague (2008), Oliver Baum has been awarded with the Josef Pliva Prize. The Josef Pliva Prize is conferred to the most outstanding contriburtion of a student or recent PhD. This award emphasizes the scientific significance of the studies performed on the HSOH molecule.

related Paper: O. Baum et al., J. Chem. Phys. 129, Art. No. 224312 (2008)

(2008-09)

Guest Professorship of Prof. Dr. Stephan Schlemmer at Universite Paul Sabatier (Toulouse III)

Stephan Schlemmer has been awarded a guest professorship at the Universite Paul Sabattier at Toulouse. The research visit in March and June 2009 will involve a continuation of the long time collaboration with Prof. Christine Joblin on ion trapping and spectroscopy of PAHs. Also a collaboration with Prof. Adam Walters on the spectroscopy of complex molecules will be continued.

(2008-09)

Rotational Study of Carbon Monoxide Solvated with Helium Atoms

High resolution microwave and millimeter-wave spectra of He_N–CO clusters with N up to 10, produced in a molecular expansion, were observed. Two series of J = 1 – 0 transitions were detected, which correspond to the a-type and b-type J = 1 – 0 transitions of He₁–CO. The B rotational constant initially decreases with N and reaches a minimum at N = 3. Its subsequent rise indicates the transition from a molecular complex to a quantum solvated system already for N = 4. For N > 5, the B-value becomes larger than that of He₁–CO, indicating an almost free rotation of CO within the helium environment.

Surin et al., Phys. Rev. Lett. 101, Art. No, 233401 (2008)

(2008-07)

Laserinduzierte Reaktionen zum ersten Mal fuer Rotationsspektroskopie genutzt 

Die Methode der laserinduzierten Reaktion wurde zum ersten Mal genutzt um Rotationsübergänge zu messen. Die J = 1 - 0 Übergänge der interstellar sehr wichtigen Ionen H₂D⁺ und HD₂⁺ bei 1,370 und bei 1,477 THz wurden mit sehr hoher Genauigkeit vermessen. Dabei stellte sich heraus, dass der in der Literatur kursierende Wert für H₂D⁺ um etwa 61 MHz falsch war.

Diese Methode ist fuer die Untersuchung von Infrarotspektren gut bekannt. Der Einsatz in der Rotationsspektroskopie stellt dennoch etwas Besonderes dar, da die Energieunterschiede sehr viel kleiner sind als in der Infrarotspektroskopie.
 

Pressemitteilung der Uni Koeln

Asvany et al., Phys. Rev. Lett. 100, 233004 (2008)

(2008-06)

Superlattice Devices for High-Resolution THz Spectroscopy

Frequency multipliers based on superlattice devices as nonlinear elements have been developed as radiation sources for a THz laboratory spectrometer. Input frequencies of 100 and 250 GHz are multiplied up to the 17th harmonic. The present record in high frequencies is 3.1 THz. Even at these high frequencies the output power is sufficient for laboratory spectroscopy. Superior features of this new device are very high line frequency accuracies, broadband tunability, high output power levels and a robust applicability.

Endres et al., Rev. Sci. Instrum. 78, Art. No. 043106 (2007)

High-Resolution Overtone Spectroscopy of H₂D⁺

The method of laser induced reaction (LIR) is used to obtain high-resolution IR spectra of H₂D⁺ and D₂H⁺ in collision with H₂ at a nominal temperature of 17 K. 27 new overtone and combination transitions have been detected for H₂D⁺ and D₂H⁺, as well as a weak line in the ν₁ vibrational band of H₂D⁺ (220 ← 101) at 3164.118 cm^-1. The line positions are compared to high accuracy ab initio calculations. Small but mode-dependent differences are observed. Within the experimental accuracy, the relative values of the ab initio predicted Einstein B coefficients are confirmed.

Asvany et al., J. Chem. Phys 127, Art. No. 154317 (2007)

High-Resolution IR Spectra of linear C₇

High resolution infrared spectra of the ν₄ fundamental antisymmetric stretching mode and associated hot bands of the linear carbon cluster C₇ are recorded using a tunable diode laser spectrometer in the frequency range of 2135 to 2141 cm^-1. Experimental evidence for the rigidity of C₇ confirms theoretical predictions, similar to the cases of C₄, C₅, and C₉. For the two energetically low-lying bending modes, ν₈ and ν₁₁, the rotational constants are in good agreement with the recent calculations. From hot band analysis and the l-type doubling constant q, experimental values for the band origins of the ν₈ and ν₁₁ are derived.

Neubauer-Guenther et al., J. Chem. Phys. 127, Art.-No. 014313 (2007)