Ein internationales Astronomenteam unter niederländischer Führung hat die erste zweidimensionale Bestandsaufnahme des Eises in einer planetenbildenden Scheibe aus Staub und Gas durchgeführt, die einen jungen Stern umgibt. Sie nutzten das James Webb-Weltraumteleskop und haben ihre veröffentlicht Ergebnisse im Tagebuch Astronomie und Astrophysik.
Eis ist wichtig für die Entstehung von Planeten und Kometen. Dank Eis verklumpen feste Staubpartikel zu größeren Brocken, aus denen Planeten und Kometen entstehen. Darüber hinaus haben die Einschläge eistragender Kometen wahrscheinlich erheblich zur Wassermenge auf unserer Erde beigetragen und ihre Meere gebildet.
Dieses Eis enthält auch Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffatome, die für die Bildung der molekularen Bausteine des Lebens wichtig sind. Allerdings war das Eis in den Scheiben, die Planeten bilden, noch nie zuvor im Detail kartiert worden. Das liegt daran, dass erdgestützte Teleskope durch unsere wasserhaltige Atmosphäre behindert werden und dass andere Weltraumteleskope nicht groß genug waren, um solche schwachen Ziele zu erkennen und aufzulösen. Das James Webb-Weltraumteleskop löst diese Probleme.
Eine „Hamburger“-Scheibe
Die Forscher untersuchten das Sternenlicht des jungen Sterns HH 48 NE, während er durch seine Planetenscheibe in Richtung Weltraumteleskop wandert. Der Stern und die Scheibe befinden sich etwa 600 Lichtjahre von der Erde entfernt im südlichen Sternbild Chamäleon. Die Scheibe sieht aus wie ein Hamburger, mit einer dunklen Mittelspur und zwei hellen Brötchen, weil wir sie von der Seite, also von der Kante her, betrachten.
Auf dem Weg zum Teleskop kollidiert das Sternenlicht mit vielen Molekülen der Scheibe. Dadurch entstehen Absorptionsspektren mit für jedes Molekül spezifischen Peaks. Der Nachteil besteht darin, dass nur wenig Licht das Teleskop erreicht, insbesondere vom dichtesten Teil der Scheibe in der dunklen Spur. Da das James Webb-Weltraumteleskop jedoch empfindlicher ist als jedes andere Teleskop, stellen die geringen Lichtmengen kein Problem dar.
Die Forscher beobachteten in den Absorptionsspektren deutliche Peaks von Wassereis (H2O), Kohlendioxideis (CO2) und Kohlenmonoxideis (CO). Darüber hinaus fanden sie Hinweise auf Eis aus Ammoniak (NH3), Cyanat (OCN–), Carbonylsulfid (OCS) und schwerem Kohlendioxid (13CO2).
Das Verhältnis von normalem Kohlendioxid zu schwerem Kohlendioxid ermöglichte es den Forschern erstmals zu berechnen, wie viel Kohlendioxid in der Scheibe vorhanden ist. Eines der interessanten Ergebnisse war, dass das von den Forschern entdeckte CO-Eis möglicherweise mit dem weniger flüchtigen CO2 und Wassereis vermischt ist, wodurch es näher am Stern gefroren bleibt als bisher angenommen.
Das Ice Age-Programm
„Die direkte Kartierung von Eis in einer planetenbildenden Scheibe liefert wichtigen Input für Modellierungsstudien, die dabei helfen, die Entstehung unserer Erde, anderer Planeten in unserem Sonnensystem und um andere Sterne herum besser zu verstehen. Mit diesen Beobachtungen können wir nun beginnen.“ fundiertere Aussagen über die Physik und Chemie der Sternen- und Planetenentstehung“, sagt der Hauptautor der Studie Ardjan Sturm (Universität Leiden, Niederlande).
„Im Jahr 2016 haben wir mit Ice Age eines der ersten JWST-Forschungsprogramme ins Leben gerufen. Wir wollten untersuchen, wie sich die eisigen Bausteine des Lebens auf der Reise von ihren Ursprüngen in kalten interstellaren Wolken zu den Kometenbildungsregionen junger Planetensysteme entwickeln. Jetzt beginnen die Ergebnisse einzutreffen. Es ist eine wirklich aufregende Zeit“, sagt Co-Autorin Melissa McClure (Universität Leiden). Sie leitet das Forschungsprogramm und veröffentlichte im Januar 2023 die ersten eiszeitlichen Eisbeobachtungen in Molekülwolken.
Das Ice Age-Team wird in naher Zukunft umfangreichere Spektren derselben planetenbildenden Scheibe untersuchen. Darüber hinaus sind sie nun in der Lage, andere Planeten bildende Scheiben zu beobachten. Sollten die Erkenntnisse über CO-Eismischungen zutreffen, würde dies das derzeitige Verständnis der Planetenzusammensetzung verändern und möglicherweise zu kohlenstoffreicheren Planeten in der Nähe des Sterns führen.
Letztendlich wollen die Forscher mehr über die Entstehungswege und die daraus resultierende Zusammensetzung von Planeten, Asteroiden und Kometen erfahren.
Mehr Informationen:
JA Sturm et al., Eine JWST-Inventarisierung protoplanetarer Scheibeneise: Die von der Kante gesehene protoplanetare Scheibe HH 48 NE, gesehen mit dem Ice Age ERS-Programm, Astronomie und Astrophysik (2023). DOI: 10.1051/0004-6361/202347512. www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202347512