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Molekülwolken sind interstellare Gaswolken, die sich hauptsächlich aus molekularem Wasserstoff zusammensetzen. Sie enthalten aber auch in sehr geringer Konzentration (typischerweise weniger als 0,001%) Beimischungen von anderen Molekülen wie Kohlenmonoxid (CO) oder Wasser (H_{2</sup>O), aber auch giftige Substanzen wie Blausäure (HCN) und organische Verbindungen. Selbst Alkohol ist in Molekülwolken schon nachgewiesen worden. Dunkelwolken sind eine spezielle Form von Molekülwolken; sie sind im Allgemeinen weniger ausgedehnt, kälter und dichter.}

Mitte der 1960er Jahre hat man mit einem Radioteleskop die ersten Moleküle nachgewiesen, das Hydroxyl-Radikal (OH) und Cyan (CN). Diese Moleküle emittieren Strahlung im Millimeter-Wellenlängenbereich. Inzwischen sind über 100 Moleküle entdeckt worden. Das Kohlenmonoxid bleibt das bedeutendste Molekül zur Erforschung der Molekülwolken, weil man auf Grund des CO/H2-Verhältnisses die Masse einer solchen Wolke bestimmen kann. Mehr als die Hälfte der (baryonischen) Masse der Milchstraße steckt in den Molekülwolken.

Wichtig für die Astronomie sind insbesondere die Riesenmolekülwolken - Objekte mit einer Ausdehnung bis zu mehreren hundert Lichtjahren und einer Masse von typischerweise mehreren 100 000 Sonnenmassen - weil sich in ihnen Sterne bilden. Teilbereiche einer Molekülwolke kollabieren durch Eigengravitation und bilden so fortlaufend neue Sterne, oft in größeren Ansammlungen.

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