Planeten bilden sich in Scheiben aus Gas und Staub, die junge Sterne umkreisen. Der MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS) unter der Leitung von Thomas Henning vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg zielt darauf ab, eine repräsentative Stichprobe dieser Scheiben zu sammeln. Durch die Erforschung ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften mit MIRI (Mid-Infrared Instrument) an Bord des James Webb Space Telescope (JWST) verbindet die Zusammenarbeit diese Scheiben mit den Eigenschaften von Planeten, die dort möglicherweise entstehen.
In einer neuen Studie untersuchte ein Forscherteam die Umgebung eines Sterns mit sehr geringer Masse von 0,11 Sonnenmassen (bekannt als ISO-ChaI 147), dessen Ergebnisse erscheinen im Journal Wissenschaft.
JWST öffnet ein neues Fenster zur Chemie planetenbildender Scheiben
„Diese Beobachtungen sind von der Erde aus nicht möglich, da die entsprechenden Gasemissionen von ihrer Atmosphäre absorbiert werden“, erklärte Hauptautor Aditya Arabhavi von der Universität Groningen in den Niederlanden.
„Bisher konnten wir von diesem Objekt nur Acetylen-Emissionen (C2H2) feststellen. Die höhere Empfindlichkeit des JWST und die spektrale Auflösung seiner Instrumente ermöglichten es uns jedoch, schwache Emissionen von weniger häufig vorkommenden Molekülen festzustellen.“
Die MINDS-Kollaboration fand Gas bei Temperaturen um 300 Kelvin (ca. 30 Grad Celsius), das stark mit kohlenstoffhaltigen Molekülen angereichert ist, aber keine sauerstoffreichen Spezies enthält. „Das unterscheidet sich grundlegend von der Zusammensetzung, die wir in Scheiben um sonnenähnliche Sterne sehen, wo sauerstoffhaltige Moleküle wie Wasser und Kohlendioxid dominieren“, ergänzte Teammitglied Inga Kamp von der Universität Groningen.
Ein eindrucksvolles Beispiel für eine sauerstoffreiche Scheibe ist PDS 70, wo das MINDS-Programm kürzlich große Mengen Wasserdampf entdeckte. Aus früheren Beobachtungen schlussfolgern Astronomen, dass sich Scheiben um sehr massearme Sterne anders entwickeln als solche um massereichere Sterne wie die Sonne. Dies könnte Auswirkungen auf die Suche nach Gesteinsplaneten mit erdähnlichen Eigenschaften haben.
Da die Umgebung in solchen Scheiben die Bedingungen für die Entstehung neuer Planeten vorgibt, kann jeder dieser Planeten zwar felsig sein, sich in anderen Aspekten jedoch stark von der Erde unterscheiden.
Was bedeutet dies für Gesteinsplaneten, die Sterne mit sehr geringer Masse umkreisen?
Die Materialmenge und ihre Verteilung auf diese Scheiben begrenzt die Anzahl und Größe der Planeten, die die Scheibe mit dem nötigen Material versorgen kann. Beobachtungen deuten daher darauf hin, dass sich Gesteinsplaneten mit erdähnlichen Größen in den Scheiben um sehr massearme Sterne, die im Universum am häufigsten vorkommen, effizienter bilden als jupiterähnliche Gasriesen. Daher beherbergen sehr massearme Sterne bei weitem die Mehrheit der terrestrischen Planeten.
„Viele Primäratmosphären dieser Planeten werden wahrscheinlich von Kohlenwasserstoffverbindungen und nicht so sehr von sauerstoffreichen Gasen wie Wasser und Kohlendioxid dominiert“, betont Henning.
„Wir haben in einer früheren Studie gezeigt, dass der Transport von kohlenstoffreichem Gas in die Zone, in der sich normalerweise terrestrische Planeten bilden, in diesen Scheiben schneller und effizienter erfolgt als in denen massereicherer Sterne.“
Obwohl es klar scheint, dass Scheiben um Sterne mit sehr geringer Masse mehr Kohlenstoff als Sauerstoff enthalten, ist der Mechanismus dieses Ungleichgewichts noch unbekannt. Die Zusammensetzung der Scheibe ist entweder das Ergebnis einer Kohlenstoffanreicherung oder einer Sauerstoffreduzierung. Wenn der Kohlenstoff angereichert ist, liegt die Ursache wahrscheinlich in festen Partikeln in der Scheibe, deren Kohlenstoff verdampft und in die gasförmige Komponente der Scheibe freigesetzt wird.
Die Staubkörner, die ihren ursprünglichen Kohlenstoff verloren haben, bilden schließlich felsige Planetenkörper. Diese Planeten wären, wie die Erde, kohlenstoffarm. Dennoch würde die kohlenstoffbasierte Chemie wahrscheinlich zumindest ihre primären Atmosphären dominieren, die durch Scheibengas erzeugt werden. Daher bieten Sterne mit sehr geringer Masse möglicherweise nicht die besten Bedingungen für die Suche nach erdähnlichen Planeten.
JWST entdeckt eine Fülle organischer Moleküle
Um die Scheibengase zu identifizieren, verwendete das Team MIRIs Spektrographen, um die von der Scheibe empfangene Infrarotstrahlung in Signaturen kleiner Wellenlängenbereiche zu zerlegen – ähnlich wie Sonnenlicht in einen Regenbogen aufgespalten wird. Auf diese Weise isolierte das Team eine Fülle individueller Signaturen, die verschiedenen Molekülen zugeordnet wurden.
Als Ergebnis enthält die beobachtete Scheibe die reichhaltigste Kohlenwasserstoffchemie, die je in einer protoplanetaren Scheibe beobachtet wurde. Sie besteht aus 13 kohlenstoffhaltigen Molekülen bis hin zu Benzol (C6H6). Darin enthalten ist auch die erste extrasolare Ethan-(C2H6)-Erkennung, der größte vollständig gesättigte Kohlenwasserstoff, der außerhalb des Sonnensystems nachgewiesen wurde.
Dem Team gelang es außerdem, erstmals Ethylen (C2H4), Propin (C3H4) und das Methylradikal CH3 in einer protoplanetaren Scheibe nachzuweisen. Im Gegensatz dazu enthielten die Daten keine Hinweise auf Wasser oder Kohlenmonoxid in der Scheibe.
Schärfung des Blicks auf Scheiben um Sterne mit sehr geringer Masse
Als nächstes beabsichtigt das Wissenschaftsteam, seine Studie auf eine größere Stichprobe solcher Scheiben um Sterne mit sehr geringer Masse auszuweiten, um besser zu verstehen, wie häufig solche exotischen, kohlenstoffreichen terrestrischen Planetenbildungsregionen sind.
„Die Ausweitung unserer Studie wird uns auch ein besseres Verständnis davon ermöglichen, wie sich diese Moleküle bilden können“, erklärte Henning. „Einige Merkmale in den Daten sind zudem noch nicht identifiziert und erfordern zusätzliche Spektroskopie, um unsere Beobachtungen vollständig interpretieren zu können.“
Mehr Informationen:
AM Arabhavi et al., Reichlich vorhandene Kohlenwasserstoffe in der Scheibe um einen Stern mit sehr geringer Masse, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.adi8147. www.science.org/doi/10.1126/science.adi8147