Das Webb-Weltraumteleskop der NASA entdeckt Wasserdampf in der Rocky Planet Formation-Region

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 Gesteins- und Erdplaneten bilden können. 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)

Die Entdeckung zeigt, dass es ein Wasserreservoir für terrestrische Planeten gibt, die dort zusammenwachsen könnten.

Wasser, Wasser, überall – nicht in Tropfen, sondern als Dampf. Wissenschaftler verwenden NASA‚S James Webb-Weltraumteleskop Sie entdeckten, dass durstige Planeten im PDS 70-System Zugang zu einem Wasserreservoir haben. Am wichtigsten ist, dass der Wasserdampf im Umkreis von 100 Millionen Meilen um den Stern gefunden wurde – der Region, in der sich terrestrische Planeten wie die Erde bilden könnten. (Die Erde umkreist unsere Sonne etwa 93 Millionen Meilen.)

PDS 70 ist mit einem geschätzten Alter von 5,4 Millionen Jahren viel kühler als unsere Sonne. 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.

Das Spektrum der protoplanetaren Scheibe von PDS 70, das mit Webbs MIRI (Mittelinfrarot-Instrument) aufgenommen wurde, zeigt eine Reihe von Emissionslinien von Wasserdampf. Wissenschaftler haben festgestellt, dass Wasser in der inneren Scheibe des Systems vorhanden ist, und zwar in einer Entfernung von weniger als 100 Millionen Meilen vom Stern – der Region, in der sich Gesteins- und Erdplaneten bilden könnten. Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Das Webb-Weltraumteleskop erkennt Wasserdampf in der Entstehungsregion felsiger Planeten

Wasser ist lebenswichtig für das Leben, wie wir es kennen. Allerdings bleibt die Frage, wie Wasser zur Erde gelangte und ob die gleichen Prozesse die Keime für felsige Exoplaneten säen könnten, die entfernte Sterne umkreisen, weiterhin Gegenstand wissenschaftlicher Debatten. Diese Diskussionen könnten von neuen Erkenntnissen aus dem 370 Lichtjahre entfernten Planetensystem PDS 70 profitieren. Dieses Sternensystem umfasst eine innere und äußere Scheibe aus Gas und Staub, die durch eine Lücke von 5 Milliarden Meilen (oder 8 Milliarden Kilometern) getrennt sind. In dieser Lücke befinden sich zwei bekannte Gasriesenplaneten.

Neue Daten, die vom MIRI (Mittelinfrarotinstrument) des James Webb-Weltraumteleskops der NASA gesammelt wurden, zeigten Wasserdampf in der inneren Scheibe des Systems in Entfernungen von weniger als 100 Millionen Meilen (160 Millionen km) vom Stern – der Region, in der sich felsige und terrestrische Planeten bilden können. (Die Erde umkreist unsere Sonne etwa 93 Millionen Meilen.) Es ist anzumerken, 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 nahe an einem System, in dem sich derzeit Planeten anhäufen. 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 sehr spannend, da sie die Region erforscht, in der sich normalerweise felsige, erdähnliche Planeten bilden“, fügte MPIA-Direktor Thomas Henning, einer der Mitautoren des Artikels, hinzu. Henning ist der Co-Hauptforscher für Webbs MIRI-Programm (Mid-Infrared Disk Survey), das die Entdeckung durchgeführt hat, und der Hauptforscher für das MINDS-Programm (MIRI Mid-Infrared Disk Survey), das die Daten erfasst hat.

Dampfige Umgebung für die Planetenentstehung

PDS 70 ist ein Stern vom Typ K, der mit einem geschätzten Alter von 5,4 Millionen Jahren viel kühler als unsere Sonne ist. 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 weg, oder der Staub wächst zu größeren Körpern heran, die schließlich Planeten bilden. Da in früheren Studien kein Wasser in den zentralen Regionen von Scheiben ähnlichen Alters 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. Die Entdeckung von Wasserdampf legt nahe, dass Gesteinsplaneten, wenn sie sich dort gebildet hätten, von Anfang an über Wasser verfügt hätten.

Wir haben eine ziemlich große Menge kleiner Staubkörner gefunden. „Neben unserer Entdeckung von Wasserdampf ist die innere Scheibe ein sehr aufregender Ort“, sagte Co-Autor Renz Waters von der Radboud-Universität in den Niederlanden.

Was ist der Ursprung von Wasser?

Diese Entdeckung wirft die Frage nach der Quelle des Wassers auf. Das MINDS-Team untersuchte zwei verschiedene Szenarien, um seine Ergebnisse zu erklären.

Eine Möglichkeit besteht darin, dass sich Wassermoleküle an Ort und Stelle bilden, wenn Wasserstoff- und Sauerstoffatome rekombinieren. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, dass die mit Eis verkrusteten Staubpartikel von der kalten Außenscheibe zur heißen Innenscheibe wandern, wo das Wassereis sublimiert und sich in Dampf verwandelt. Dieses Transportsystem wäre überraschend, da der Staub die riesige Kluft überwinden müsste, die von den beiden Riesenplaneten gebildet wird.

Eine weitere Frage, die diese Entdeckung aufwirft, ist, wie Wasser so nahe an einem Stern überleben kann, wenn das ultraviolette Licht des Sterns alle Wassermoleküle aufbrechen muss. Höchstwahrscheinlich fungieren umgebende Materialien wie Staub und andere Wasserpartikel als Schutzschild. Dadurch könnte Wasser, das in der inneren Scheibe des PDS 70 entdeckt wurde, der Zerstörung entgehen.

Letztendlich wird das Team zwei weitere Webb-Instrumente, NIRCam (Nah-Infrarot-Kamera) und NIRSpec (Nah-Infrarot-Spektrometer), verwenden, um PDS 70 zu untersuchen und so zu einem besseren Verständnis zu gelangen.

Diese Beobachtungen wurden im Rahmen der Garantierten Zeitbeobachtung 1282 gemacht. Dieses Ergebnis wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Referenz: „Wasser in der Planetenbildungsregion von PDS 70“ von G. Perotti, V. Christiaens, Th. Henning, P. Tabone, LBFM Waters, I. Camp, J. Olofsson, SL Grant, D. Gasman, J. Bowman, M. Samland, Franceschi R, EF Van Dishoek, K. Schwartz, M. Goodell, P.-O. Lagage, T. P. Ray, B. Vandenbussche, A. Abergel, O. Absil, A. M. Arabhavi, I. Argyriou, D. Barrado, A. Boccaletti, A. Caratti o Garatti, V. Geers, A. M. Glauser, K. Justannont, F. Lahuis, M. Onn, N. 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 mysteriöse Strukturen sowie die Ursprünge des Universums und unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm, das von der NASA und ihrem Partner ESA geleitet wird (Europäische Weltraumorganisation) und die Canadian Space Agency.