Erstmals gefrorenes Wasser in einem jungen Sternensystem gefunden

Die Erde verdankt ihr Wasser einer der schlimmsten bekannten Naturkatastrophen. Vor etwa 4 Milliarden Jahren änderten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun ihre Umlaufbahnen und schleuderten einen schrecklichen Regen von Asteroiden, Kometen und anderen Körpern in das Innere des Sonnensystems, wo sie auf den Mond , die Erde und die übrigen Gesteinsplaneten einschlugen. Diese astronomischen Bomben, deren Spuren noch heute auf unserem Satelliten zu sehen sind, waren mit Eis beladen. Viele Astronomen glauben, dass ein Großteil des Wassers auf unserem Planeten außerirdischen Ursprungs ist und dass es genau in dem entscheidenden Moment entstand, als erstmals Leben entstand.

Nun hat ein Team von Astronomen erstmals kristallines Wassereis in einem jungen Sternensystem jenseits unserer Sonne entdeckt. Das Wassereis befindet sich innerhalb der sogenannten Trümmerscheibe – einem riesigen Ring aus Staub und Gestein –, die den 155 Lichtjahre entfernten Stern HD 181327 umkreist, der unserer Sonne ähnelt. Die Entdeckung ist ein wichtiger Beweis dafür, dass das, was in unserem Sonnensystem passiert ist, auch überall sonst im Universum passieren kann.

„In diesem Stern sehen wir unsere eigene Vergangenheit“, fasst die asturische Astronomin Noemí Pinilla-Alonso , Co-Autorin der Studie, zusammen. Die Arbeit wurde durch das James Webb- Weltraumteleskop ermöglicht. NASA, die es ermöglichte, das von der Trümmerscheibe ausgestrahlte Licht einzufangen und die vorhandenen Moleküle zu identifizieren. Die Arbeit wird diesen Mittwoch in Nature veröffentlicht, einem Nachschlagewerk für die beste Wissenschaft der Welt.

Bisher wurde das Vorhandensein von Wassereis nur auf einigen Monden der Riesenplaneten sowie auf Zwergplaneten und anderen Körpern bestätigt, die den Kuipergürtel bilden und sich jenseits der Umlaufbahn des Neptun befinden. Das Hubble- Weltraumteleskop vermutete bereits 2012 das Vorhandensein von Eis in HD 181327, konnte dies jedoch nicht bestätigen. Die außergewöhnlichen Fähigkeiten der Infrarotinstrumente an Bord der 2021 gestarteten Raumsonde James Webb haben das Vorhandensein der essentiellen Verbindung zweifelsfrei bestätigt.

Astronomen glauben, dass der Trümmerring, den sie um diesen Stern beobachten, dem Ring sehr ähnlich sein könnte, der um die Sonne existierte, bevor die Riesenplaneten in seine Umlaufbahn gelangten. Der Stern ist nur 23 Millionen Jahre alt – ein Hauch im Vergleich zu den 4,6 Milliarden Jahren unserer Sonne – und seine Scheibe ist etwa dreimal größer als der Kuipergürtel und erstreckt sich über etwa 18 Milliarden Kilometer.

„Das Eis auf der Erde ist kristallin; unter den richtigen Bedingungen nimmt es eine sechseckige Form an“, erklärt Pinilla-Alonso. „Amorphes Eis hingegen bildet sich schnell und hat daher keine Zeit, sich zu organisieren. Es ist die häufigste Eisart im Universum. Interessanterweise hat uns der Webb-Astronom im Kuipergürtel gezeigt, dass alle Objekte mit Wasser kristallines Wasser enthalten, dieselbe Art, die jetzt in HD 181327 entdeckt wurde. Das wussten wir bisher nicht und versuchen nun zu erklären“, erklärt er.

Webb hat es möglich gemacht, die sogenannte Schneegrenze zu beobachten: die Grenze, jenseits derer alle Elemente in Form von Eis vorliegen. In den dem Stern am nächsten gelegenen Teilen ist aufgrund der Hitze kaum Wassereis vorhanden, während es in den entferntesten Teilen bis zu 20 % der Gesamtzusammensetzung ausmacht.

Astronomen glauben, dass die innerhalb des Rings umlaufenden Körper miteinander kollidieren und dabei größere Körper entstehen, die eines Tages zu Planeten werden könnten. Durch diese Einschläge werden außerdem millimetergroße Eispartikel im gesamten System verteilt. Das Vorhandensein von Kohlenmonoxid und möglicherweise Kohlendioxid sowie lebenswichtigen Mineralien wurde in diesem Stern ebenfalls bestätigt, erklärt Pinilla-Alonso. was dieses System unserem noch ähnlicher macht.

„Wir sehen wahrscheinlich Dinge, die denen sehr ähnlich sind, die bei der Entstehung unseres eigenen Sonnensystems passiert sind“, erklärt Pinilla-Alonso. „Sonnensysteme beginnen mit der protoplanetaren Scheibe aus Staub und Gas, dann folgen Trümmerscheiben wie diese und schließlich die Planetenentstehung. Webb hat in all diesen Stadien das Vorhandensein von Eis nachgewiesen. Die Beobachtung dieser und wahrscheinlich auch weiterer Scheiben ermöglicht es uns erstmals, die Übergänge zwischen diesen verschiedenen Phasen zu verstehen“, fügt der Astronom hinzu, der kürzlich im Rahmen des Atrae-Programms an die Universität Oviedo gewechselt ist und die Studie gemeinsam mit Kollegen der Universitäten von Florida und Arizona sowie dem Space Telescope Institute, dem Zentrum der James-Webb -Mission, verfasst hat.

Guillem Anglada , ein Forscher am Institut für Astrophysik von Andalusien (IAA-CSIC), der nicht an der Studie teilgenommen hat, betont ihren Wert. „Es handelt sich um eine sehr wichtige Entdeckung, auch wenn sie nicht völlig unerwartet kam“, argumentiert er. Der Astronom konzentriert sich auf die Untersuchung protoplanetarer Scheiben und sein Team hat mithilfe von Weltraum- und erdgebundenen Teleskopen das Vorhandensein von Eis in diesen Ringen bestätigt. Wenn der Stern seine erste Million Jahre erreicht, verdampft seine Strahlung fast das gesamte Gas und lässt nur Staub übrig, aus dem sich die Trümmerscheibe bildet. „Diese Arbeit zeigt ganz klar, dass sich in den äußersten Schichten ein Eisreservoir befindet, das sich später dank der Kollision“ von Staub- und Gesteinskörpern ausbreitet, die „kontinuierlich“ aufeinanderprallen, argumentiert Anglada.

Die Schneegrenze markiert hier eine entscheidende Grenze. Von Riesenplaneten geschobene eishaltige Körper können die Grenze überschreiten und schließlich mit Gesteinsplaneten kollidieren, wodurch Ozeane aus flüssigem Wasser entstehen. „Das ist, was in unserem Sonnensystem passiert ist, aber es ist nur eine Theorie. Wir sind noch weit davon entfernt zu wissen, wie es passiert, und jeder Fall kann anders sein“, warnt Anglada.

Ein katastrophales Ereignis, wie es durch die Gasriesen verursacht wurde, hat sich auf dem beobachteten Stern bisher nicht ereignet, es ist jedoch wahrscheinlich, dass es dazu kommen könnte. Es gibt vorläufige Studien, die auf die Existenz von Planeten in diesem Gürtel schließen lassen. Und wenn es keine gäbe, könnten sie sich nach Schätzung der Autoren dieser neuen Studie in etwa weiteren 100 Millionen Jahren bilden. Unterdessen häufen sich in unserer Heimat immer mehr Daten über die mögliche Existenz eines neunten Planeten im Sonnensystem, der die Bewegung eisiger Körper in den entlegensten Gebieten des Kuipergürtels stören könnte.