Webb-Ergebnisse stützen den seit langem vorgeschlagenen Prozess der Planetenentstehung

Wissenschaftler, die das James-Webb-Weltraumteleskop nutzen, haben gerade eine bahnbrechende Entdeckung gemacht, indem sie aufdeckten, wie Planeten entstehen. Durch die Beobachtung von Wasserdampf in protoplanetaren Scheiben bestätigte Webb einen physikalischen Prozess, bei dem eisbeschichtete Feststoffe aus den äußeren Bereichen der Scheibe in die Gesteinsplanetenzone driften.

Theorien gehen seit langem davon aus, dass eisige Kieselsteine, die sich in den kalten äußeren Regionen protoplanetarer Scheiben bilden – dem gleichen Gebiet, in dem Kometen in unserem Sonnensystem entstehen – die grundlegenden Keime der Planetenentstehung sein könnten. Die Hauptanforderung dieser Theorien besteht darin, dass Kieselsteine ​​aufgrund der Reibung in der Gasscheibe nach innen in Richtung des Sterns driften und dabei sowohl Feststoffe als auch Wasser zu den Planeten transportieren.

Eine grundlegende Vorhersage dieser Theorie ist, dass eisige Kieselsteine, wenn sie in die wärmere Region innerhalb der „Schneegrenze“ gelangen – wo Eis in Dampf übergeht –, große Mengen kalten Wasserdampfs freisetzen sollten. Genau das hat Webb beobachtet.

„Webb hat endlich den Zusammenhang zwischen Wasserdampf in der inneren Scheibe und dem Abdriften eisiger Kieselsteine ​​von der äußeren Scheibe aufgedeckt“, sagte Hauptforscherin Andrea Banzatti von der Texas State University in San Marcos, Texas. „Diese Entdeckung eröffnet spannende Perspektiven für die Untersuchung der Entstehung von Gesteinsplaneten mit Webb!“

„Früher hatten wir dieses sehr statische Bild der Planetenentstehung, fast so, als gäbe es diese isolierten Zonen, aus denen sich Planeten bildeten“, erklärte Teammitglied Colette Salyk vom Vassar College in Poughkeepsie, New York. „Jetzt haben wir tatsächlich Beweise dafür, dass diese Zonen miteinander interagieren können. Es wird auch angenommen, dass dies in unserem Sonnensystem passiert ist.“

Nutzen Sie die Kraft von Webb

Die Forscher verwendeten Webbs MIRI (das Mittelinfrarot-Instrument), um vier Scheiben – zwei kompakte und zwei ausgedehnte – um sonnenähnliche Sterne zu untersuchen. Alle vier dieser Sterne sind schätzungsweise zwischen 2 und 3 Millionen Jahre alt, also gerade erst Neugeborene in der kosmischen Zeit.

Es wird erwartet, dass die beiden Kompaktscheiben einer effizienten Kieseldrift unterliegen und Kieselsteine ​​bis weit in eine Entfernung befördern, die der Umlaufbahn von Neptun entspricht. Im Gegensatz dazu wird erwartet, dass die Kieselsteine ​​der ausgedehnten Scheiben in mehreren Ringen bis zum Sechsfachen der Umlaufbahn des Neptun verbleiben.

Mit den Webb-Beobachtungen sollte ermittelt werden, ob Kompaktscheiben in ihrer inneren, felsigen Planetenregion eine höhere Wasserhäufigkeit aufweisen, wie erwartet, wenn die Kieselsteindrift effizienter ist und viel feste Masse und Wasser zu inneren Planeten transportiert. Das Team entschied sich für die Verwendung des MRS (Medium-Resolution Spectrometer) von MIRI, da es empfindlich auf Wasserdampf in Scheiben reagiert.

Die Ergebnisse bestätigten die Erwartungen, indem sie zeigten, dass sich bei den Compact Disks im Vergleich zu den großen Disks überschüssiges Kühlwasser befand.

Wenn die Kieselsteine ​​treiben und auf einen Druckstoß – einen Druckanstieg – stoßen, neigen sie dazu, sich dort anzusammeln. Diese Druckfallen unterbinden den Kieseltrieb zwar nicht unbedingt, aber sie bremsen ihn. Dies scheint in den großen Scheiben mit Ringen und Lücken zu geschehen.

Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass große Planeten Ringe mit erhöhtem Druck verursachen können, in denen sich Kieselsteine ​​ansammeln. Dies könnte auch eine Rolle von Jupiter in unserem Sonnensystem gewesen sein – er verhindert die Kiesel- und Wasserzufuhr zu unseren kleinen, inneren und relativ wasserarmen Gesteinsplaneten.

Das Rätsel lösen

Als die Daten zum ersten Mal eintrafen, waren die Ergebnisse für das Forschungsteam rätselhaft. „Zwei Monate lang haben wir an diesen vorläufigen Ergebnissen festgehalten, die uns sagten, dass die Compact Disks insgesamt kälteres Wasser und die großen Disks insgesamt heißeres Wasser hatten“, erinnert sich Banzatti. „Das ergab keinen Sinn, da wir eine Stichprobe von Sternen mit sehr ähnlichen Temperaturen ausgewählt hatten.“

Erst als Banzatti die Daten der Compact Disks mit den Daten der großen Disks überlagerte, wurde die Antwort klar: Die Compact Disks verfügen über besonders kühles Wasser direkt innerhalb der Schneegrenze, etwa zehnmal näher als die Umlaufbahn des Neptun.

„Jetzt sehen wir endlich eindeutig, dass es das kältere Wasser ist, das einen Überschuss hat“, sagte Banzatti. „Das ist beispiellos und ausschließlich auf Webbs höheres Auflösungsvermögen zurückzuführen.“

Die Ergebnisse des Teams erscheinen in Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.