Ohne Phosphor gäbe es kein Leben, wie wir es kennen. Der Mineralstoff ist in unserer DNA und in den Zellmembranen vorhanden und ein wichtiger Baustein für unsere Knochen und Zähne. Neben Kalzium ist Phosphor das häufigste Mineral in unserem Körper. Und er liefert den Zellen wichtige Energien. Das Rätsel, wie und woher er auf die Erde kam, versuchen Wissenschaftler seit Langem zu lösen. Eine Gruppe internationaler Astronomen hat nun die neuen Ergebnisse des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) und des ROSINA-InstrumeAstrononts an Bord von Rosetta (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) genutzt, um die Herkunft des Phosphors von den Sternentstehungsgebieten bis zu den Kometen zurück zu verfolgen.

Dabei zeigte sich, wo sich phosphorhaltige Moleküle bilden, wie sie in Kometen gelangen und wie ein bestimmtes Molekül eine entscheidende Rolle beim Beginn des Lebens auf unserem Planeten gespielt haben könnte: Phosphormonoxid. „Das Leben erschien auf der Erde vor etwa 4 Milliarden Jahren, aber wir wissen immer noch nicht, welche Prozesse es hervorbrachten“, sagt Dr. Víctor Rivilla, Forscher am Astrophysikalischen Observatorium Arcetri des INAF, Italiens Nationalinstitut für Astrophysik.

Dieses ALMA-Bild zeigt eine Detailansicht der Sternentstehungsregion AFGL 5142. In der Bildmitte ist ein heller, massereicher Stern in den Anfängen zu erkennen. Die Gasströme dieses Sterns haben in der Region einen Hohlraum geöffnet, in dessen Wänden sich phosphorhaltige Moleküle wie z. B. Phosphormonoxid gebildet haben (farbig dargestellt). Die verschiedenen Farben repräsentieren Material, das sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegt. © ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Rivilla et al.

Phosphor in Sternentstehungsregionen schon lange vermutet

Dank ALMA konnten die Forscher einen detaillierten Blick in die Sternentstehungsregion AFGL 5142 werfen und aufzeigen, wo sich phosphorhaltige Moleküle, wie z.B. Phosphormonoxid, bilden. Da neue Sterne und Planetensysteme in wolkenähnlichen Regionen aus Gas und Staub zwischen den Sternen geboren werden, stellen diese Regionen für Astronomen die idealen Orte für eine Suche nach den Bausteinen des Lebens dar. „Man hatte schon Jahre zuvor über Phosphor in Sternentstehungsregionen gesprochen“, sagt Dr. Markus Nielbock von Haus der Astronomie in Heidelberg.

Die ALMA-Beobachtungen hätten gezeigt, dass bei der Entstehung massereicher Sterne phosphorhaltige Moleküle entstehen, erklären die Wissenschaftler. „Gasströme von jungen massereichen Sternen öffnen Hohlräume in den interstellaren Wolken. An den Wänden der Hohlräume bilden sich phosphorhaltige Moleküle durch die kombinierte Wirkung von Stoßwellen und Strahlung des jungen Sterns.“ Außerdem haben die Astronomen gezeigt, dass Phosphormonoxid das am häufigsten vorkommende phosphorhaltige Molekül in den Hohlraumwänden ist.

Als nächstes suchten sie im berühmten Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko nach Spuren dieser phosphorhaltigen Verbindungen – und wurden fündig. Wenn die Hohlraumwände zu einem Stern, insbesondere zu einem weniger massereichen wie der Sonne zusammenfallen, könne Phosphormonoxid ausfrieren und in den eisigen Staubkörnern, die um den neuen Stern herum verbleiben, eingeschlossen werden, sagen die Forscher. Noch bevor der Stern vollständig gebildet sei, kämen diese Staubkörner zusammen und bildeten Kieselsteine, Felsen und schließlich Kometen, die zu Transportern von Phosphormonoxid werden.

Mosaik des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, erstellt mit Bildern, die am 10. September 2014 aufgenommen wurden, als die ESA-Raumsonde Rosetta 27,8 km vom Kometen entfernt war. © ESA/Rosetta/NAVCAM

„Da war es!“

Nachdem die Astronomen in den ROSINA-Daten Hinweise auf Phosphor gefunden hatten, sammelte ROSINA zwei Jahre lang Daten von 67P. Die Wissenschaftler wussten aber nicht, welches Molekül den Phosphor dorthin getragen hatte. Auf einer Konferenz bekam die leitende Forscherin von Rosina und Autorin der neuen Studie, Prof. Kathrin Altwegg, einen Hinweis darauf, was dieses Molekül sein könnte. „Sie sagte, dass Phosphormonoxid ein sehr wahrscheinlicher Kandidat wäre, also ging ich zurück zu unseren Daten und da war es!“

Sobald Astronomen Phosphormonoxid auf einem Kometen entdeckt haben, können sie eine Verbindung zwischen den Sternentstehungsgebieten, in denen das Molekül entsteht, bis zur Erde herzustellen. „Die Kombination der ALMA- und ROSINA-Daten hat eine Art chemischen Strang während des gesamten Prozesses der Sternentstehung aufgedeckt, bei dem Phosphormonoxid die dominierende Rolle spielt“, sagt Rivilla, der Hauptautor der neuen Studie, die heute in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht wurde.

Nielbock betont, man habe im Rahmen künftiger Forschungen nun die die Möglichkeit, gezielt nach Phosphor zu suchen. „Es kann gut sein, dass sich jetzt viele Gruppen darauf stürzen und sich diese ganzen Sternentstehungsgebiete auch nochmal anschauen. Es könnte sein, dass das jetzt nur ein Zufall war und nur da passiert und auch nur unter diesen Bedingungen, die dort herrschen.“ Dann müsste man genauer untersuchen, welche Bedingungen herrschen müssen, um Phosphor so zu halten, dass er für die Entstehung von Leben auf Planten dienen kann.

„Dass Phosphor da sein muss, ist meiner Meinung nach gar keine Frage, da er etwas ist, was durch frühere Generationen von Sternen erzeugt wurde“, sagt der Forscher. „Dass man es jetzt aber nachweisen kann in Form von solchen Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen, das ist etwas Neues. Es könnte gut sein, dass diese Moleküle hilfreich dabei sind, dass das viel besser in gewisse Elemente in solchen Staubkörnern eingebaut werden kann, die dann später zu diesen Kometen wachsen.“

Diese Weitwinkelansicht zeigt die Himmelsregion im Sternbild Fuhrmann (Auriga), in der sich die Sternentstehungsregion AFGL 5142 befindet. Das Bild wurde aus Bildern der Digitized Sky Survey 2 erstellt. © ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

Baustein in der Erforschung der Menschheitsgeschichte

In der Erforschung der Menschheitsgeschichte könnte diese jüngste Entdeckung nach weiteren Forschungen wieder einen Baustein darstellen. „Die Frage ist schon, wo kommt dieser Phosphor her, den wir alle im Körper haben und in welchen Mengen kommt er auf die Erde und kann man daraus etwas ableiten für andere Planeten“, so Nielbock. „Kann man daraus Schlüsse ziehen, dass die Art, wie sich das Leben auf der Erde entwickelt hat, etwas Typisches oder eher etwas Abwegiges ist.“

Daher sei der nächste Schritt wohl, diese Kette zu erforschen, von den Sternentstehungsregionen, über die Kometen, bis hin zu Planeten, auf denen Lebenszyklen in Gang gesetzt werden. „Das könnte etwas sein, was man noch genauer untersuchen muss. Daher ist es sicher wichtig, sich das genauer anzuschauen“, betont Nielbock. Immerhin habe Kathrin Altwegg in Kometen nach Phosphor gesucht und ihn nie gefunden. „Erst durch diese Verbindung mit Sauerstoff hat sie es dann in ihren Daten entdeckt. Damit hat man dann diese Linie aufgebaut, wie Phosphor überhaupt auf die Erde gekommen sein kann.“

„Phosphor ist essentiell für das Leben, wie wir es kennen“, bestätigt Altwegg. „Da Kometen höchstwahrscheinlich große Mengen an organischen Verbindungen zur Erde geliefert haben, könnte das Phosphormonoxid des Kometen 67P die Verbindung zwischen Kometen und dem Leben auf der Erde verstärken.“

Titelbild: Die Infografik zeigt die wichtigsten Ergebnisse einer Studie, die den interstellaren Pfad des Phosphors, einen der Bausteine des Lebens, aufgedeckt hat. © ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Rivilla et al.; ESO/L. Calçada; ESA/Rosetta/NAVCAM; Mario Weigand, www.SkyTrip.de