24.07.2023
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Neue Messungen des NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescopes Mid-InfraRed Instrument (MIRI) haben Wasserdampf in der inneren Scheibe des 370 Lichtjahre entfernten Systems PDS 70 entdeckt. Dies ist der erste Nachweis von Wasser im Erdbereich einer Scheibe, von der bereits bekannt ist, dass sie zwei oder mehr Protoplaneten beherbergt.
Wasser ist lebenswichtig für das Leben, wie wir es kennen. Wissenschaftler diskutieren jedoch darüber, wie es die Erde erreicht hat und ob die gleichen Prozesse felsige Exoplaneten hervorbringen könnten, die entfernte Sterne umkreisen. Neue Erkenntnisse könnten aus dem System PDS 70 stammen, das eine innere und eine äußere Scheibe beherbergt, die durch eine Lücke von acht Milliarden Kilometern getrennt sind und in denen sich zwei bekannte Gasriesenplaneten befinden. MIRI hat Wasserdampf in der inneren Scheibe des Systems in Entfernungen von weniger als 160 Millionen km vom Stern entdeckt – der Region, in der sich möglicherweise felsige, terrestrische Planeten bilden (die Erde umkreist die Sonne 150 Millionen km).
„Wir haben Wasser in anderen Scheiben gesehen, aber nicht so nah in und in einem System, in dem sich derzeit Planeten zusammensetzen. Diese Art von Messung konnten wir vor Webb nicht durchführen“, sagte Hauptautorin Giulia Perotti vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Deutschland.
„Diese Entdeckung ist äußerst aufregend, da sie die Region untersucht, in der sich typischerweise erdähnliche Gesteinsplaneten bilden“, fügte MPIA-Direktor Thomas Henning, einer der Mitautoren 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 feuchte Umgebung zur Entstehung von Planeten
PDS 70 ist ein Stern vom K-Typ, kühler als die Sonne und schätzungsweise 5,4 Millionen Jahre alt. Dies ist bei Sternen mit Planetenscheiben relativ alt, was die Entdeckung von Wasserdampf überraschend machte.
Mit der Zeit nimmt der Gas- und Staubgehalt der Planetenscheiben ab. Entweder entfernen die Strahlung und die Winde des Zentralsterns dieses Material, oder der Staub wächst zu größeren Objekten heran, aus denen schließlich Planeten entstehen. Da es in früheren Studien nicht gelungen war, Wasser in den zentralen Regionen ähnlich alter Scheiben zu entdecken, vermuteten Astronomen, dass es der harten Sternstrahlung möglicherweise nicht standhalten würde, was zu einer trockenen Umgebung für die Bildung von Gesteinsplaneten führen würde.
Spektrum des PDS 70-Systems
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 eine relativ große Menge kleiner Staubkörner. In Kombination mit unserem Nachweis von Wasserdampf ist die innere Scheibe ein sehr aufregender 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, wo das ultraviolette Licht des Sterns alle Wassermoleküle aufbrechen sollte. Höchstwahrscheinlich dient umgebendes Material wie Staub und andere Wassermoleküle als Schutzschild. Infolgedessen könnte das in der Nähe von PDS 70 entdeckte Wasser die Zerstörung überleben.
Letztendlich wird das Team zwei von Webbs anderen Instrumenten, die Near-InfraRed Camera (NIRCam) und den Near-InfraRed Spectrograph (NIRSpec), 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 gemacht. Dieses Ergebnis wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
Mehr Informationen
Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All geschossen wurde. Im Rahmen einer internationalen Kooperationsvereinbarung stellte die ESA den Startdienst des Teleskops mithilfe der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung von Ariane-5-Anpassungen für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den leistungsstarken Spektrographen NIRSpec und 50 % des Mittelinfrarotinstruments MIRI zur Verfügung, das von einem Konsortium national finanzierter europäischer Institute (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der University of Arizona entworfen und gebaut wurde.
Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen NASA, ESA und der Canadian Space Agency (CSA).
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