Woher kommen Planeten? Der gesamte Prozess kann kompliziert werden. Planetenembryonen stoßen manchmal auf Wachstumshindernisse, die sie als Asteroiden oder nackte Planetenkerne zurücklassen. Aber zumindest eine Frage zur Planetenentstehung wurde endlich beantwortet – wie sie an ihr Wasser kommen.
Jahrzehntelang legten Planetenentstehungstheorien immer wieder nahe, dass Planeten Wasser aus eisbedeckten Gesteinsfragmenten erhalten, die sich in den kalten Außenbereichen protoplanetarer Scheiben bilden, wo Licht und Wärme vom Stern des entstehenden Systems nicht die Intensität haben, um das Eis zu schmelzen. Da die Reibung durch das Gas und den Staub der Scheibe diese Kieselsteine nach innen in Richtung des Sterns bewegt, bringen sie nach dem Überqueren der Schneegrenze Wasser und anderes Eis zu den Planeten, wo sich die Dinge so weit erwärmen, dass das Eis sublimiert und große Mengen Wasserdampf freisetzt. Dies alles wurde bisher vermutet.
Das James Webb-Teleskop der NASA hat nun bahnbrechende Beweise für diese Ideen beobachtet, als es vier junge protoplanetare Scheiben abbildete. Das Teleskop nutzte sein Medium-Resolution Spectrometer (MRS) von Webbs Mid-Infrared Instrument (MIRI), um diese Daten zu sammeln, da diese besonders empfindlich sind zu Wasserdampf. Webb fand heraus, dass in zwei dieser Scheiben große Mengen kalten Wasserdampfs jenseits der Schneegrenze auftraten, was bestätigte, dass aus gefrorenen Kieselsteinen sublimierendes Eis tatsächlich Wasser zu Planeten wie unserem transportieren kann.
An der Kante
Webb hatte sein sprichwörtliches Auge auf vier protoplanetare Scheiben geworfen, die erst etwa zwei oder drei Millionen Jahre alt waren und sich um sonnenähnliche Sterne bildeten. Von diesen Scheiben waren zwei kompakt, während die anderen beiden größer waren und mehrere Lücken aufwiesen, die die Scheibe unterbrachen. Das Forschungsteam hinter dieser Untersuchung wollte herausfinden, ob Wasser durch die Sublimation von Eis auf Kieselsteinen, die von den Rändern einer Scheibe nach innen drifteten, in die innere Scheibe gebracht wurde. Sie versuchten auch herauszufinden, ob dies bei kompakten oder größeren Festplatten effizienter geschieht.
Frühere Studien, die mit dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA und ALMA durchgeführt wurden, hatten einige Daten gefunden, die darauf hindeuten, dass eine Kieselsteindrift von den äußeren in die inneren Teile einer Scheibe und die anschließende Verdampfung von Eis möglich sind. Leider waren die Daten aufgrund ihrer geringen Auflösung unklar; Spektrallinien, die das Vorhandensein von Wasser anzeigten, waren verschwommen. Webbs höhere Auflösung war in der Lage, diese Linien zu trennen, sodass sie deutlich deutlicher hervortraten und die Spektren von warmem und kaltem Wasser zeigten.
Die Webb-Forscher suchten nach kühlem Wasser, was auf sublimiertes Eis hinweisen würde, das frühere Vorstellungen einer gefrorenen Kieselsteindrift bestätigte. Warmes Wasser in einer Scheibe konnte nur bis zu einem gewissen Grad als Beweis dienen, da dies wahrscheinlich bedeuten würde, dass Drift und Sublimation bereits stattgefunden hatten und der dabei entstehende Wasserdampf nun durch den Stern des entstehenden Planetensystems erhitzt worden war.
Vom Kieselstein zum Planeten
Bei den beiden größeren Scheiben wurde festgestellt, dass gefrorene Kieselsteine in größeren Systemen Schwierigkeiten haben, durch die Lücken zu gelangen. Sie verfangen sich oft mit anderen Materialien, die in einer Lücke herumschwimmen, und bleiben dort stecken, anstatt weiter nach innen zu driften. Sie neigen auch dazu, auf Druckfallen oder Bereiche mit erhöhtem Druck zu stoßen, die dazu führen, dass sie sich ansammeln, was sie nicht vollständig am Driften hindert, sondern wie eine kosmische Bremsschwelle wirkt. Während in diesen Scheiben etwas kühler Wasserdampf festgestellt wurde, gab es an der Schneegrenze nicht die große Dampfmenge, nach der das Team gesucht hatte.
Beobachtungen der Compact Disks waren ein Durchbruch. Die von Webb zurückgestrahlten Daten zeigten, dass es zwar Spektren gab, die auf das Vorhandensein wärmerer Wasserdampfemissionen weit im Inneren der Scheibe hindeuteten, es aber auch einen Überschuss an kalten Wasserdampfemissionen knapp außerhalb der Schneegrenze gab. Von hier aus gelangt der Wasserdampf in die inneren Teile der Scheibe.
„Kieseldrift und -einfang stellen einen grundlegenden, natürlichen Prozess für eine großräumige Verbindung zwischen inneren und äußeren Scheibenregionen dar, der den von MIRI in den in dieser Arbeit analysierten Compact Discs aufgedeckten Kaltwasserüberschuss erklären könnte“, sagten die Forscher kürzlich in einer Studie veröffentlicht in The Astrophysical Journal Letters.
Was passiert also von da an? Schließlich kollidieren treibende Kieselsteine, denen es an Eis mangelt, miteinander, bis sie beginnen, sich zu etwas anzusammeln, das schließlich zu einem Planeten werden könnte. Dieser hypothetische Planet könnte später mit Wasserdampf versorgt werden und in Milliarden von Jahren könnte er sogar zu einer anderen Erde werden. Vielleicht gibt es tatsächlich Analogien zu unserem Planeten. Möglicherweise haben sie sich noch nicht gebildet.
Astrophysical Journal Letters, 2023. DOI: 10.3847/2041-8213/acf5ec