JAMES WEBB
Wasser in Scheibe um jungen Stern entdeckt
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie
astronews.com
25. Juli 2023

Mit dem Weltraumteleskop James Webb wurde nun in der inneren Region einer Scheibe aus Gas und Staub um einen jungen Stern Wasser entdeckt - und damit genau dort, wo sich in der Regel erdähnliche Planeten befinden. Sollten hier solche Planeten tatsächlich einmal entstehen, würden sie unmittelbar von einem beträchtlichen Wasserreservoir profitieren. 

Künstlerische Darstellung der PDS 70-Scheibe. JWST-Beobachtungen haben Wasser in der inneren Scheibe entdeckt, wo sich normalerweise erdähnliche Planeten bilden. Zwei Gasriesenplaneten haben während ihres Wachstums eine große Lücke in die Scheibe aus Gas und Staub gegraben. Bild: MPIA   [Großansicht]

Wasser ist für das Leben auf der Erde unerlässlich. Unter Astronominnen und Astronomen wird jedoch diskutiert, wie es auf die Erde gelangt ist und ob dieser Prozess auch für erdähnliche Exoplaneten um andere Sterne funktionieren könnte. Der bevorzugte Mechanismus ist eine Zufuhr von wasserhaltigen Asteroiden, die die Oberfläche eines jungen Planeten bombardieren. "Wir haben jetzt möglicherweise Beweise dafür gefunden, dass Wasser eines der frühesten Bestandteile von Gesteinsplaneten sein könnte und bereits bei ihrer Geburt vorhanden ist", sagt Giulia Perotti, Astronomin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg. In einer jetzt vorgestellten Studie, deren Hauptautorin Perotti ist, wird über den Nachweis von Wasser in der Nähe des Zentrums der planetenbildenden Scheibe des jungen Sterns PDS 70 berichtet. Der Stern ist etwa 370 Lichtjahre von uns entfernt. Gelungen ist dies durch Beobachtungen mit dem Mid-InfraRed Instrument (MIRI) an Bord des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST).

Im Sonnensystem ist die Region, in der das Wasser nachgewiesen wurde, der Bereich, in der Gesteinsplaneten die Sonne umkreisen. Der Studie zufolge handelt es sich bei dem Wasser um heißen Dampf mit einer Temperatur von glühenden 330 Grad Celsius. "Diese Entdeckung ist äußerst aufregend, da sie die Region untersucht, in der sich typischerweise erdähnliche Gesteinsplaneten bilden", erklärt MPIA-Direktor Thomas Henning. Er ist Leiter des Forschungsprogramms MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey). MINDS ist ein JWST-Programm mit garantierter Beobachtungszeit, an dem Forschungsinstitute aus elf europäischen Ländern beteiligt sind.

Diese Durchmusterung zielt darauf ab, die Eigenschaften von Scheiben aus Gas und Staub um junge Sterne zu ermitteln, die uns Aufschluss über die Bedingungen geben können, die die Zusammensetzung von Planeten bestimmen, die sich dort möglicherweise bilden. PDS 70 ist die erste relativ alte Scheibe - etwa 5,4 Millionen Jahre alt - in der Forschende Wasser gefunden haben. Mit der Zeit nimmt der Gas- und Staubgehalt von planetenbildenden Scheiben ab. Entweder entfernen die Strahlung oder der Wind des Zentralsterns Material wie Staub und Gas, oder der Staub wächst zu größeren Objekten heran, die schließlich Planeten bilden.

Da frühere Studien kein Wasser in den zentralen Regionen ähnlich entwickelter Scheiben nachweisen konnten, vermuteten die Astronomen, dass es die harte Sternstrahlung nicht überleben könnte, was zu trockenen Umgebungen während der Entstehung von Gesteinsplaneten führen würde. Die Beobachtung von PDS 70 mit MIRI an Bord des JWST war der Schlüssel, um diese Hypothese zu überprüfen. Das Ergebnis ist, dass die inneren Bereiche von entwickelten und staubarmen Scheiben vielleicht doch nicht so trocken sind. Wenn dies der Fall ist, könnten viele erdähnliche Planeten, die sich in diesen Zonen bilden, mit einer wichtigen Zutat geboren werden, die Leben ermöglicht.

Bislang gibt es jedoch noch keine Hinweise auf Planeten in der Nähe des Zentrums der PDS 70-Scheibe. Stattdessen umkreisen zwei Gasriesenplaneten weiter draußen, PDS 70 b und c, den Stern. Diese Planeten sammelten auf ihrer Bahn im Laufe ihres Wachstums Staub und Gas in der Umgebung an, so dass eine breite ringförmige Lücke entstand, in der fast kein Material mehr nachweisbar ist. Allerdings würden alle Gesteinsplaneten, die sich in einer wasserreichen Umgebung näher am Stern bilden, schon zu Beginn ihres Lebenszyklus von einem Wasservorrat profitieren. Einerseits gelangt Wasser über einen langwierigen Prozess unter Einbeziehung von Asteroiden über ein eher zufälliges kosmisches Transportsystem zu den anfänglich trockenen Gesteinsplaneten.

Der Wassernachweis mit den neuen JWST-Beobachtungen öffnet nun die Tür für einen zusätzlichen, potenziell nachhaltigen Mechanismus, der Planeten bereits bei ihrer Geburt mit Wasser versorgt. Es ist nicht schwer, sich vorzustellen, dass ein solches Szenario die Chancen verbessern könnte, Gesteinsplaneten mit reichlich Wasser zu finden, auf denen Leben möglich ist. Die Fortschritte des MINDS-Programms werden schließlich zeigen, ob Wasser in den planetenbildenden Zonen der entwickelten Scheiben um junge Sterne häufig vorkommt oder ob PDS 70 lediglich eine Ausnahme darstellt.

 Da der Wasserfund eher unerwartet war, untersucht das MINDS-Team mehrere Szenarien, um dessen Herkunft zu erklären. Eine Möglichkeit besteht darin, dass das Wasser ein Überbleibsel eines ursprünglich wasserreichen Nebels ist, der dem Scheibenstadium vorausging. Wasser kommt häufig vor, insbesondere im gefrorenen Zustand, wenn es winzige Staubpartikel bedeckt. Wenn es der Hitze eines nahen Sterns ausgesetzt wird, verdampft das Wasser und vermischt sich mit den anderen Gasen.

Leider sind die Wassermoleküle recht anfällig und zerfallen leicht in ihre Bestandteile wie Wasserstoff und Sauerstoff, wenn sie von der schädlichen UV-Strahlung des nahen Sterns getroffen werden. Das umgebende Material wie Staub und die Wassermoleküle selbst dienen jedoch als Schutzschild. Daher könnte zumindest ein Teil des Wassers, das in der Nähe von PDS 70 entdeckt wurde, die Zerstörung überlebt haben. Eine weitere Quelle könnte Gas sein, das von den äußeren Rändern der Scheibe von PDS 70 einströmt. Unter bestimmten Umständen können sich Sauerstoff- und Wasserstoffgas verbinden und Wasserdampf bilden.

Außerdem könnten durch den Sog des sich bewegenden Gases wasserreiche Staubteilchen mitgerissen werden, die aus dem markanten äußeren Staubring stammen. Der Zentralstern ist so schwach, dass er das Wassereis in der Entfernung dieses Rings nicht verdampfen kann. Erst wenn die Staubkörner in die innere Scheibe in der Nähe des Sterns eindringen, verwandelt sich das Eis in ein Gas. "Die Wahrheit liegt wahrscheinlich in einer Kombination aus all diesen Möglichkeiten", sagt Perotti. "Dennoch ist es wahrscheinlich, dass einer dieser Mechanismen eine entscheidende Rolle beim Auffüllen des Wasserreservoirs der PDS 70-Scheibe spielt. In Zukunft wird es darum gehen, herauszufinden, welcher das ist."

JWST und MIRI sind leistungsstarke Instrumente. Dennoch liefern sie nur einige Aspekte des Gesamtbildes. Wie bei einem Gemälde, das viele verschiedene Farben nutzt, um seine Botschaft zu vermitteln, wenden Astronomen verschiedene Arten von Beobachtungen an und decken ein breites Spektrum von Wellenlängen ab, um Informationen zu erhalten und ihre Erkenntnisse zu vervollständigen. In diesem Fall nutzte das Team den MIRI-Spektrographen, um die von PDS 70 empfangene Infrarotstrahlung in Signaturen kleiner Wellenlängenbereiche zu zerlegen – ähnlich wie bei der Auftrennung einer einzigen Farbe in viele verschiedene Schattierungen.

Auf diese Weise isolierte das Team eine Fülle von einzelnen Wassersignaturen, die sie zur Berechnung von Temperaturen und Dichten verwendeten. Das Team hat bereits zusätzliche Beobachtungen mit bodengebundenen Teleskopen gemacht, um das Bild zu vervollständigen. Darüber hinaus wartet es gespannt auf eine weitere Reihe von JWST-Beobachtungen, die detaillierte Bilder der inneren Scheibe von PDS 70 liefern werden. Und vielleicht wird ihre Struktur Hinweise auf weitere erdähnliche Planeten oder die etwas größeren Sub-Neptune liefern, die sich im Inneren des Wasserreservoirs bilden.

Über die Beobachtungen berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature erschienen ist.