Das Konzept dieses Künstlers zeigt den Stern PDS 70 und seine innere protoplanetare Scheibe. Neue Messungen des James Webb-Weltraumteleskops der NASA haben Wasserdampf in Entfernungen von weniger als 100 Millionen Meilen vom Stern entdeckt – der Region, in der sich möglicherweise felsige, terrestrische Planeten bilden. Dies ist der erste Nachweis von Wasser im Erdbereich einer Scheibe, von der bereits bekannt ist, dass sie zwei oder mehr Protoplaneten beherbergt, von denen einer oben rechts dargestellt ist. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Der Befund zeigt, dass ein Wasserreservoir für terrestrische Planeten vorhanden ist, die dort möglicherweise zusammenwachsen.
Wasser, Wasser, überall – nicht in Tropfen, sondern als Dampf. Wissenschaftler verwenden NASA‘S James Webb-Weltraumteleskop haben herausgefunden, dass durstige Planeten im PDS 70-System Zugang zu einem Wasserreservoir haben. Wichtig ist, dass der Wasserdampf im Umkreis von 100 Millionen Meilen um den Stern gefunden wurde – der Region, in der sich möglicherweise terrestrische Planeten wie die Erde bilden. (Die Erde umkreist unsere Sonne 93 Millionen Meilen.)
PDS 70 ist kühler als unsere Sonne und wird auf 5,4 Millionen Jahre geschätzt. Es ist die Heimat zweier bekannter Gasriesenplaneten, von denen mindestens einer immer noch Material ansammelt und wächst. Dies ist der erste Nachweis von Wasser im Erdbereich einer Scheibe, von der bereits bekannt ist, dass sie zwei oder mehr Protoplaneten beherbergt.
Ein Spektrum der protoplanetaren Scheibe von PDS 70, das mit Webbs MIRI (Mid-Infrared Instrument) aufgenommen wurde, zeigt eine Reihe von Emissionslinien von Wasserdampf. Wissenschaftler stellten fest, dass sich das Wasser in der inneren Scheibe des Systems befindet, in einer Entfernung von weniger als 100 Millionen Meilen vom Stern – der Region, in der sich möglicherweise felsige, terrestrische Planeten bilden. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Das Webb-Weltraumteleskop entdeckt Wasserdampf in der felsigen Planetenbildungszone
Wasser ist lebenswichtig für das Leben, wie wir es kennen. Allerdings bleibt die Frage, wie Wasser zur Erde gelangte und ob die gleichen Prozesse zur Entstehung felsiger Exoplaneten führen könnten, die entfernte Sterne umkreisen, Gegenstand wissenschaftlicher Debatten. Diese Debatten könnten von neuen Erkenntnissen aus dem 370 Lichtjahre entfernten Planetensystem PDS 70 profitieren. Dieses Sternensystem umfasst sowohl eine innere als auch eine äußere Scheibe aus Gas und Staub, getrennt durch eine Lücke, die sich über 5 Milliarden Meilen (oder 8 Milliarden Kilometer) erstreckt. In dieser Lücke befinden sich zwei bekannte Gasriesenplaneten.
Neue Daten, die vom MIRI (Mid-Infrared Instrument) des James Webb-Weltraumteleskops der NASA gesammelt wurden, haben Wasserdampf in der inneren Scheibe des Systems in Entfernungen von weniger als 100 Millionen Meilen (160 Millionen Kilometern) vom Stern nachgewiesen – der Region, in der sich möglicherweise felsige, terrestrische Planeten bilden. (Die Erde umkreist unsere Sonne 93 Millionen Meilen.) Bemerkenswert ist, dass dies das erste Mal ist, dass Wasser im Erdbereich einer Scheibe entdeckt wurde, von der bereits bestätigt wurde, dass sie zwei oder mehr Protoplaneten beherbergt.
„Wir haben Wasser in anderen Scheiben gesehen, aber nicht so nah in und in einem System, in dem sich derzeit Planeten zusammensetzen. Vor Webb konnten wir diese Art von Messung nicht durchführen“, sagte Hauptautorin Giulia Perotti vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg.
„Diese Entdeckung ist äußerst aufregend, da sie die Region untersucht, in der sich typischerweise erdähnliche Gesteinsplaneten bilden“, fügte MPIA-Direktor Thomas Henning und Mitautor der Studie hinzu. Henning ist Co-Hauptforscher von Webbs MIRI (Mid-Infrared Instrument), das die Entdeckung machte, und Hauptforscher des MINDS-Programms (MIRI Mid-Infrared Disk Survey), das die Daten erfasste.
Eine dampfende Umgebung zur Bildung von Planeten
PDS 70 ist ein Stern vom K-Typ, kühler als unsere Sonne und mit einem geschätzten Alter von 5,4 Millionen Jahren. Dies ist im Hinblick auf Sterne mit planetenbildenden Scheiben relativ alt, was die Entdeckung von Wasserdampf überraschend machte.
Mit der Zeit nimmt der Gas- und Staubgehalt der Planetenscheiben ab. Entweder blasen die Strahlung und die Winde des Zentralsterns dieses Material heraus, oder der Staub wächst zu größeren Objekten heran, aus denen schließlich Planeten entstehen. Da in früheren Studien kein Wasser in den zentralen Regionen ähnlich alter Scheiben nachgewiesen werden konnte, vermuteten Astronomen, dass es der starken Sternstrahlung möglicherweise nicht standhalten würde, was zu einer trockenen Umgebung für die Bildung von Gesteinsplaneten führen würde.
Astronomen haben noch keine Planeten entdeckt, die sich in der inneren Scheibe von PDS 70 bilden. Sie sehen jedoch die Rohstoffe für den Aufbau felsiger Welten in Form von Silikaten. Der Nachweis von Wasserdampf impliziert, dass, wenn sich dort Gesteinsplaneten bilden, ihnen von Anfang an Wasser zur Verfügung steht.
„Wir finden relativ viele kleine Staubkörner. In Kombination mit unserem Nachweis von Wasserdampf ist die innere Scheibe ein sehr spannender Ort“, sagte Co-Autor Rens Waters von der Radboud-Universität in den Niederlanden.
Was ist der Ursprung des Wassers?
Die Entdeckung wirft die Frage auf, woher das Wasser kam. Das MINDS-Team betrachtete zwei verschiedene Szenarien, um seine Ergebnisse zu erklären.
Eine Möglichkeit besteht darin, dass sich Wassermoleküle dort bilden, wo wir sie entdecken, wenn sich Wasserstoff- und Sauerstoffatome verbinden. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, dass mit Eis bedeckte Staubpartikel von der kühlen Außenscheibe zur heißen Innenscheibe transportiert werden, wo das Wassereis sublimiert und in Dampf umgewandelt wird. Ein solches Transportsystem wäre überraschend, da der Staub die große Lücke überwinden müsste, die die beiden Riesenplaneten geschaffen haben.
Eine weitere durch die Entdeckung aufgeworfene Frage ist, wie Wasser so nahe am Stern überleben konnte, wenn das ultraviolette Licht des Sterns alle Wassermoleküle aufbrechen sollte. Höchstwahrscheinlich dient umgebendes Material wie Staub und andere Wassermoleküle als Schutzschild. Dadurch könnte das in der inneren Scheibe des PDS 70 entdeckte Wasser die Zerstörung überleben.
Letztendlich wird das Team zwei weitere Instrumente von Webb, NIRCam (Near-Infrared Camera) und NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), verwenden, um das PDS 70-System zu untersuchen und so ein noch besseres Verständnis zu gewinnen.
Diese Beobachtungen wurden im Rahmen des Garantiert-Zeit-Beobachtungsprogramms 1282 durchgeführt. Dieses Ergebnis wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
Referenz: „Wasser in der terrestrischen Planetenbildungszone der PDS 70-Scheibe“ von G. Perotti, V. Christiaens, Th. Henning, B. Tabone, LBFM Waters, I. Kamp, G. Olofsson, SL Grant, D. Gasman, J. Bouwman, M. Samland, R. Franceschi, EF van Dishoeck, K. Schwarz, M. Güdel, P.-O. Lagage, TP Ray, B. Vandenbussche, A. Abergel, O. Absil, AM Arabhavi, I. Argyriou, D. Barrado, A. Boccaletti, A. Caratti o Garatti, V. Geers, AM Glauser, K. Justannont, F. Lahuis, M. Mueller, C. Nehmé, E. Pantin, S. Scheithauer, C. Waelkens, R. Guadarrama, H. Jang, J. Kan Krieg, M. Morales-Calderón, N. Pawellek, D. Rodgers-Lee, J. Schreiber, L. Colina, TR Greve, G. Östlin und G. Wright, 24. Juli 2023, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06317-9
Das James Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Weltraumobservatorium. Webb löst Rätsel in unserem Sonnensystem, blickt über die fernen Welten um andere Sterne hinaus und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm, das von der NASA und ihren Partnern ESA geleitet wird (Europäische Weltraumorganisation) und die Canadian Space Agency.