Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop entdeckte die vom MPIA geleitete Forschungskooperation MINDS Wasser im inneren Bereich einer Gas- und Staubscheibe um den jungen Stern PDS 70. Astronomen gehen davon aus, dass sich in dieser Zone terrestrische Planeten bilden. Dies ist der erste Nachweis dieser Art in einer Scheibe, die mindestens zwei Planeten beherbergt. Alle in der inneren Scheibe entstehenden Gesteinsplaneten würden von einem beträchtlichen lokalen Wasserreservoir profitieren, was die Chancen auf eine spätere Bewohnbarkeit verbessern würde.
Dieser Befund liefert Hinweise auf einen Mechanismus, der potenziell bewohnbaren Planeten bereits während ihrer Entstehung mit Wasser versorgt, zusätzlich zu späteren Einschlägen wasserführender Asteroiden.
Wasser ist für das Leben auf der Erde lebenswichtig. Allerdings diskutieren Wissenschaftler darüber, wie es zur Erde gelangte und ob dieser Prozess auch felsige Exoplaneten um andere Sterne bewohnbar machen könnte.
Der bevorzugte Mechanismus ist eine Versorgung durch wasserführende Asteroiden, die die Oberfläche eines jungen Planeten bombardieren. „Wir haben jetzt möglicherweise Beweise gefunden, dass Wasser auch als einer der Ausgangsbestandteile von Gesteinsplaneten dienen und bei der Geburt verfügbar sein könnte“, sagt Giulia Perotti, Astronomin am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg. Sie ist die Hauptautorin eines Forschungsartikels, der in der Zeitschrift erscheinen wird Natur Das berichtet über den Nachweis von Wasser in der Planetenscheibe des jungen Sterns PDS 70, etwa 370 Lichtjahre entfernt.
Wasser in der terrestrischen Planetenbildungszone der PDS 70-Scheibe. Die Animation veranschaulicht die Entdeckung von Wasser in der Zone um den Stern PDS 70. Zuerst sehen wir den Sternenhimmel und nähern uns der Position von PDS 70. Anschließend zeigt das Video zwei verschiedene Beobachtungen der Planetenentstehungsscheibe mit den Positionen der beiden gasreichen Planeten. Schließlich sehen wir einen Ausschnitt des Spektrums mit den Wassersignaturen, die mit dem MIRI-Instrument an Bord des JWST gewonnen wurden. Bildnachweis: Thomas Müller (HdA/MPIA) / G. Perotti et al. (Die MINDS-Zusammenarbeit)
Wasser in der Innenscheibe des PDS 70
Beobachtungen mit MIRI (Mid-InfraRed Instrument) an Bord des James Webb Space Telescope (JWST) entdeckten Wasser in der Nähe des Scheibenzentrums, in der Nähe des Muttersterns PDS 70. Im Sonnensystem ist dies die Region, in der Gesteinsplaneten die Sonne umkreisen. Der Analyse zufolge liegt das Wasser in Form von heißem Dampf vor, der eine Temperatur von etwa 330° Celsius (600° Kelvin) aufweist.
„Diese Entdeckung ist äußerst spannend, da sie die Region untersucht, in der sich typischerweise erdähnliche Gesteinsplaneten bilden“, betont MPIA-Direktor Thomas Henning. Er ist Co-Autor des zugrunde liegenden Artikels, Co-PI (Hauptforscher) von MIRI und PI des MINDS-Programms (MIRI Mid-Infrared Disk Survey). MINDS ist ein JWST-Programm mit garantierter Zeit, an dem Forschungsinstitute aus 11 europäischen Ländern beteiligt sind. Ziel dieser Untersuchung ist es, die Eigenschaften von Scheiben aus Gas und Staub um junge Sterne zu identifizieren, die uns Aufschluss über die Bedingungen geben können, die die Zusammensetzung der dort möglicherweise entstehenden Planeten bestimmen.
PDS 70 ist die erste relativ alte Scheibe – etwa 5,4 Millionen Jahre alt –, in der Astronomen Wasser fanden. Mit der Zeit nimmt der Gas- und Staubgehalt der Planetenscheiben 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 es früheren Studien nicht gelang, Wasser in den zentralen Regionen ähnlich entwickelter Scheiben zu entdecken, vermuteten Astronomen, dass es der rauen Sternstrahlung möglicherweise nicht standhalten würde, was zu trockenen, felsigen Planetenbildungsumgebungen führen würde.
Die Beobachtung von PDS 70 mit MIRI an Bord des JWST war der Schlüssel zur Infragestellung dieser Hypothese. Infolgedessen sind die inneren Ränder entwickelter und staubarmer Scheiben möglicherweise doch nicht so trocken. Wenn das so ist, könnten viele terrestrische Planeten, die sich in diesen Zonen bilden, mit einer Schlüsselzutat für die Erhaltung des Lebens geboren werden.
Die Wasserversorgung terrestrischer Planeten – Natur versus Pflege
Allerdings haben Wissenschaftler bisher noch keine Planeten in der Nähe des Scheibenzentrums von PDS 70 gefunden. Stattdessen entdeckten Astronomen zwei weiter draußen gelegene Gasriesenplaneten, PDS 70 b und c. Sie sammelten Staub und Gas in der Umgebung an, während sie während ihres Wachstums ihren Mutterstern umkreisten, und bildeten so einen breiten ringförmigen Spalt, der fast frei von jeglichem nachweisbaren Material war.
Dennoch würden alle Gesteinsplaneten, die sich in einer wasserreichen Umgebung näher am Stern bilden, zu Beginn ihres Lebenszyklus von einer Wasserversorgung profitieren. Daher öffnet dieses neue Ergebnis neben dem Wassertransport zu zunächst trockenen Gesteinsplaneten über einen langwierigen Prozess, an dem Asteroiden als eher zufälliges kosmisches Transportsystem beteiligt sind, die Tür für einen potenziell nachhaltigen Mechanismus, der Planeten bereits bei der Geburt mit Wasser versorgt.
Es ist nicht schwer, sich vorzustellen, dass ein solches Szenario die Chancen verbessern könnte, bewohnbare Gesteinsplaneten mit reichlich Wasser als Lebensunterhalt zu finden. Der Fortschritt des MINDS-Programms wird letztendlich zeigen, ob Wasser in den terrestrischen Planetenbildungszonen entwickelter Scheiben um junge Sterne häufig vorkommt oder ob PDS 70 lediglich eine Ausnahme darstellt.
Was ist der Ursprung des Wassers?
Da das Vorhandensein von Wasser etwas unerwartet war, untersucht das MINDS-Team mehrere Szenarien, um ihren Fund zu erklären.
Eine Möglichkeit besteht darin, dass Wasser ein Überbleibsel eines anfänglich wasserreichen Nebels vor dem Scheibenstadium ist. Wasser kommt recht häufig vor, insbesondere in gefrorenem Zustand, und bedeckt winzige Staubpartikel. Wenn es in der Nähe eines entstehenden Sterns Hitze ausgesetzt wird, verdampft das Wasser und vermischt sich mit den anderen Gasen. Leider sind Wassermoleküle recht zerbrechlich und zerfallen in kleinere Bestandteile wie Wasserstoff und Sauerstoff, wenn sie von der schädlichen UV-Strahlung des nahegelegenen Sterns getroffen werden. Umgebendes Material wie Staub und die Wassermoleküle selbst dienen jedoch als Schutzschild. Infolgedessen könnte zumindest ein Teil des in der Nähe von PDS 70 entdeckten Wassers die Zerstörung überstanden haben.
Eine andere Quelle könnte Gas sein, das von den Außenrändern der PDS 70-Scheibe eindringt. Unter bestimmten Umständen können sich Sauerstoff und Wasserstoffgas verbinden und Wasserdampf bilden. Darüber hinaus kann der Widerstand des sich bewegenden Gases wasserreiche Staubpartikel mitreißen, die vom markanten äußeren Staubring einwandern. 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 Gas.
„Die Wahrheit liegt wahrscheinlich in einer Kombination all dieser Optionen“, sagt Perotti. „Dennoch ist es wahrscheinlich, dass ein Mechanismus eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Wasserreservoirs der PDS 70-Scheibe spielt. Die zukünftige Aufgabe wird sein, herauszufinden, welcher das ist.“
Auf dem Weg zur Vervollständigung des Bildes
JWST und MIRI sind leistungsstarke Tools. Dennoch liefern sie nur einige Aspekte des Gesamtbildes. Wie ein Gemälde, das viele verschiedene Farben benötigt, um seine Botschaft zu vermitteln, wenden Astronomen verschiedene Arten von Beobachtungen an und decken ein breites Spektrum an Wellenlängen ab, um Informationen zu erhalten und ihr Verständnis zu vervollständigen.
In diesem Fall nutzte das Team den Spektrographen von MIRI, um die von PDS 70 empfangene Infrarotstrahlung in Signaturen kleiner Wellenlängenbereiche zu zerlegen – ähnlich wie bei der Unterscheidung einer einzelnen Farbe in viele verschiedene Schattierungen. Auf diese Weise isolierte das Team eine Vielzahl einzelner Wassersignaturen, die sie zur Berechnung von Temperaturen und Dichten verwendeten.
Die Astronomen haben bereits zusätzliche Beobachtungen mit bodengestützten Teleskopen erhalten, um das Bild zu vervollständigen. Darüber hinaus warten sie gespannt auf eine weitere Reihe von JWST-Beobachtungen, die detaillierte Bilder der inneren PDS 70-Scheibe liefern würden. Und vielleicht gibt seine Struktur Hinweise auf die Bildung weiterer terrestrischer Planeten oder der etwas größeren Sub-Neptune im Wasserreservoir.
Mehr Informationen:
Giulia Perotti, Wasser in der terrestrischen Planetenbildungszone der PDS 70-Scheibe, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06317-9. www.nature.com/articles/s41586-023-06317-9