Wasserdampfozeane in stellaren Scheiben entdeckt, die für die Planetenbildung zur Verfügung stehen

Astronomen haben immense Mengen an Wasserdampf im Inneren von Sternscheiben beobachtet, und zwar genau in den Regionen der Scheibe, in denen sich neue Exoplaneten bilden oder bilden werden. Wasser auf Planeten scheint schon vor deren Entstehung vorhanden zu sein.

Es handelt sich um eine Art zirkulären Prozess des Fortschritts des Wissens. Das Wissen über unser Sonnensystem dient als Leitfaden für das Verständnis anderer Planetensysteme. Umgekehrt erlaubt uns das, was wir über andere Planetensysteme herausfinden, den Ursprung und die Entwicklung unseres Sonnensystems besser zu verstehen.

Wenn wir über den Ursprung des Wassers auf der Erde sprechen, kommt der Beitrag dieses Mal von anderen Planetensystemen.

Seit Jahren fragen wir uns, woher das Wasser auf der Erde stammt, ob es meteorischen Ursprungs ist, d.h. nach der Entstehung der Erde durch den Beschuss von wasserreichen Kometen auf die Erde transportiert wurde. Oder aber es wurde angenommen, dass es im Inneren der Erde vorhanden war und dann an die Oberfläche gelangte.

Die Beobachtung der Scheiben leistet einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des Ursprungs von Wasser auf den Planeten.

Was sind protostellare Scheiben?

Protostellare Scheiben sind abgeflachte Gebilde (daher der Name) aus Gas und Staub, die um ihren Protostern kreisen. Sowohl der Stern als auch die Scheibe bilden sich gleichzeitig, während der ersten Millionen Lebensjahre gibt die Scheibe weiterhin Gas und Staub an den Stern ab und erhöht so dessen Masse (daher werden sie Akkretionsscheiben genannt).

Alle Sterne entstehen zusammen mit ihrer eigenen Akkretionsscheibe. Diese Scheibe ist kurzlebig und verschwindet nach einigen Millionen Jahren vollständig oder verringert sich zu einer Scheibe aus Gesteinsfragmenten, ähnlich dem Kuiper-Gürtel des Sonnensystems.

Bild der Scheibe des Sterns HL Tau, aufgenommen mit dem ALMA-Teleskop. Die dunkleren Kreise innerhalb der Scheibe sind die "Löcher", in denen die Bildung von Planeten wahrscheinlich ist und in denen Wasserdampf in sehr großen Mengen beobachtet wurde. Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

In dieser Akkretionsscheibe findet die Bildung von Exoplaneten statt. Man nimmt an, dass Gasplaneten (ähnlich wie unser Jupiter) durch den Gravitationskollaps von Gas und Staub entstehen. Ihre Bildung innerhalb der Scheibe ist eine kleinere Version der größeren Bildung des Sterns innerhalb seiner Molekülwolke. Felsige Planeten (ähnlich der Erde) bilden sich vermutlich hauptsächlich durch Akkretion, d.h. nach aufeinanderfolgenden Kollisionen und Verschmelzungen zwischen Gesteinsfragmenten, bis sie zunächst Planetesimale und dann Objekte von Planetengröße bilden.

Während des Entstehungsprozesses "gräbt" der Exoplanet, während er seinen Stern umkreist, regelrechte Rillen in die Scheibe. Kurz gesagt, er nimmt das gesamte Gas und den Staub entlang seiner Umlaufbahn auf und fegt es teilweise weg, sodass eine Art kreisförmiger "leerer" Ring im Inneren der Scheibe zurückbleibt.

Diese Rillen, die sogenannten "Disc Gaps", werden häufig in protostellaren Scheiben beobachtet. Sie sind ein indirekter Beweis für das mögliche Vorhandensein eines Planeten. Sterne, in denen eine hohle Scheibe beobachtet wird, sind die besten Kandidaten für die Entdeckung von sehr jungen Exoplaneten.

Gas, Staub und Wasser sind die Zutaten für die Bildung

Exoplaneten bilden sich aus dem in der Scheibe vorhandenen Gas und Staub. Daher haben sie die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Scheibe, genauer gesagt, die Region der Scheibe, in der sie sich bilden (die chemische Zusammensetzung der Scheibe kann inhomogen sein).

Heute kartieren hochauflösende Instrumente die chemische Zusammensetzung von protostellaren Scheiben. Die Ergebnisse, die das ALMA-Teleskop mit seinen Multiband-Beobachtungen im Submillimeterbereich erzielt, sind außergewöhnlich.

ALMA (Atacama Large Millilimiter/submillilimiter Array) ist ein Teleskop in Chile, in den Anden gelegen. Es besteht aus 66 Antennen, die in verschiedenen Konfigurationen angeordnet werden können. Je größer der Abstand zwischen den Antennen ist, desto höher ist die räumliche Auflösung, mit der das Teleskop beobachten kann.

Das Teleskop beobachtet in 5 verschiedenen Spektralbändern, die alle im Millimeter- und Submillimeterbereich liegen. Besonders ein Band (Band 5) ist in der Lage, das Vorhandensein von Wasser zu erkennen.

Was auf dem HL Tau Album entdeckt wurde

Bei der Beobachtung des sehr jungen Sterns HL Tau im Sternbild Stier entdeckten die Astronomen dank der Leistungsfähigkeit des ALMA-Teleskops eine immense Menge an Wasserdampf, oder besser gesagt "Ozeane aus Wasserdampf", wie Stefano Facchini von der Universität Mailand, Erstautor der in der Zeitschrift Nature Astronomy vorgestellten Studie, es ausdrückt.

Junger Stern HL Tau hat noch seine eigene Akkretionsscheibe

Außergewöhnlich an diesem Ergebnis ist auch die Tatsache, dass diese immense Menge an Wasser in der Sternscheibe gefunden wurde, und zwar genau in dem Bereich, der "Lücke", in dem sich wahrscheinlich ein Exoplanet bildet.

Es gibt also eindeutige Hinweise darauf, dass bei der Planetenentstehung immense Mengen an Wasser zur Verfügung stehen. Dieser Wasserdampf stellt nicht nur ein Reservoir für den neugeborenen Planeten dar, sondern spielt wahrscheinlich auch eine Schlüsselrolle im Prozess der Exoplanetenentstehung selbst.

Aber HL Tau ist nicht der erste Fall! Vor kurzem hat das James Webb Telescope auch das Vorhandensein von Wasser in der Scheibe des Sterns PDS 70 nachgewiesen. Dieser Stern hat, anders als HL Tau, mit Sicherheit zwei Planeten, die sich in der Rille befinden, die sie in die Scheibe gegraben haben und aus der Wasserdampf austritt.

Die hohe räumliche Auflösung des Teleskops ermöglichte es, die chemische Zusammensetzung der verschiedenen Teile der PDS 70-Scheibe zu analysieren und dabei festzustellen, dass sich Wasser genau in dem Hohlraum befindet, in dem sich die beiden Planeten treffen.

Diese Beobachtungen von extrasolaren Systemen sind wertvoll, weil sie uns viel über den möglichen Ursprung des Wassers auf der Erde verraten.