James Webb findet erstmals gefrorenes Wasser in einem jungen Sternensystem

Es wurde bereits zuvor in den Ringen des Saturn und in Eiskörpern im Kuipergürtel unseres Sonnensystems gefunden, aber nie an einem Ort wie diesem. Ein internationales Forscherteam, darunter die Astrophysikerin Noemí Pinilla von der Universität Oviedo und dem Institut für Weltraumwissenschaften und -technologien von Asturien (ICTEA), hat zum ersten Mal kristallines Wassereis in einer Scheibe aus staubigen Trümmern um einen jungen, sonnenähnlichen Stern entdeckt. Das zukünftige Sternensystem, das 155 Lichtjahre entfernt liegt, wurde mit dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA beobachtet. Die Entdeckung „bestätigt die Vorstellung, dass es Leben nicht nur auf unserem Planeten oder in unserer Nachbarschaft geben könnte, sondern überall im Universum, wo ähnliche Bedingungen herrschen“, sagte Pinilla dieser Zeitung.

Auf diese „unwiderlegbaren“ Daten haben Astronomen jahrzehntelang gewartet. Bereits im Jahr 2008 deuteten Beobachtungen des Spitzer-Weltraumteleskops der NASA auf die Möglichkeit von gefrorenem Wasser in diesem System hin, doch erst jetzt konnte das James Webb-Weltraumteleskop es „eindeutig“ nachweisen, so Chen Xie, Wissenschaftler an der Johns Hopkins University in Baltimore im US-Bundesstaat Maryland und Hauptautor des Artikels, der diesen Mittwoch in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde. Das gesamte nachgewiesene gefrorene Wasser ist mit feinen Staubpartikeln in der gesamten Scheibe gepaart, wie „schmutzige Schneebälle“.

Der als HD 181327 katalogisierte Stern ist deutlich jünger als unsere Sonne. Sein Alter wird auf 23 Millionen Jahre geschätzt, im Vergleich zu den 4,6 Milliarden Jahren unseres Sterns. Außerdem ist er etwas massereicher und heißer, was zur Bildung eines etwas größeren Systems um ihn herum führte.

Webbs Beobachtungen bestätigen eine erhebliche Lücke zwischen dem Stern und seiner Trümmerscheibe, einen weiten Bereich, der frei von Staub ist. Diese Scheibe ähnelt unserem eigenen Kuipergürtel, in dem manchmal Zwergplaneten, Kometen und andere Eis- und Gesteinsbrocken kollidieren. Vor Milliarden von Jahren ähnelte unser Kuipergürtel wahrscheinlich der Trümmerscheibe dieses Sterns. „Es ist, als würde man unser Sonnensystem vor Milliarden von Jahren sehen, in seiner kosmischen Kindheit“, sagt Pinilla,

„HD 181327 ist ein sehr aktives System“, sagte Chen. „In seiner Trümmerscheibe kommt es regelmäßig zu Kollisionen. Wenn diese Eiskörper kollidieren, setzen sie winzige Partikel aus staubigem Wassereis frei, die genau die richtige Größe haben, um von Webb erkannt zu werden.“

Wassereis ist in diesem System nicht gleichmäßig verteilt. Der Großteil, nämlich 20 %, befindet sich dort, wo es am kältesten und am weitesten vom Stern entfernt ist. Je genauer die Forscher jedoch hinsahen, desto weniger Wassereis fanden sie. In der Mitte der Trümmerscheibe entdeckte Webb etwa 8 % Wassereis. Dabei ist davon auszugehen, dass gefrorene Wasserpartikel etwas schneller entstehen als zerstört werden. Im Bereich der Trümmerscheibe, die dem Stern am nächsten liegt, wurden fast keine entdeckt. Das ultraviolette Licht des Sterns verdampft wahrscheinlich die nahegelegenen Flecken, oder es sind Gesteine, sogenannte Planetesimale, die ihn in seinem Inneren gefangen halten.

Wassereis ist ein wichtiger Bestandteil der Scheiben, die junge Sterne umgeben. Es hat großen Einfluss auf die Entstehung von Riesenplaneten und kann auch von kleinen Körpern wie Kometen und Asteroiden zu vollständig ausgebildeten Gesteinsplaneten transportiert werden. Und mit Wasser wächst die Hoffnung auf Leben in anderen Winkeln des Universums.

„Soweit wir wissen, ist die Entwicklung von Leben wahrscheinlicher, wenn flüssiges Wasser und Kohlenstoffmoleküle vorhanden sind“, sagt Pinilla. „In unserem Sonnensystem suchen wir nach Anzeichen von Leben auf Eismonden wie Europa (dem Jupitermond), wo sich unter der strukturellen Eisschicht Ozeane aus flüssigem Wasser befinden. Nachdem wir nun das Vorhandensein von Wassereis und wahrscheinlich auch kohlenstoffhaltigem Moleküleis bestätigt haben, wissen wir, dass eisige Planetesimale ähnlich den Ozeanwelten in unserem Sonnensystem existieren könnten. Und die Kollisionen, die diesen Eisstaub erzeugen, könnten die Keime des Lebens auf wärmere, felsige Planeten befördern“, sagt er.

Er erklärt: „Wenn sich in einer Trümmerscheibe bereits Riesenplaneten gebildet haben, können sich auch weiterhin Eisplaneten oder deren Monde bilden. Diese Entdeckung zeigt uns, dass die Planetenentstehung, die wir in unserem Sonnensystem vermuten, ein universeller Prozess sein könnte, der bei Exoplaneten üblich ist.“

Nachdem Webb nun Wassereis entdeckt hat, eröffnet sich für alle Forscher die Möglichkeit, zu untersuchen, wie sich diese Prozesse auf neue Weise in vielen anderen Planetensystemen auswirken. Noemí Pinilla kam im Oktober mit einem ATRAE-Stipendium zum ICTEA, um spanische Forscher im Ausland anzuwerben. Er hofft, seiner Gruppe neue Studenten hinzufügen zu können.

Obwohl er ursprünglich nicht Teil dieses Forschungsteams war, erwies sich seine Erfahrung in der Untersuchung des Sonnensystems – insbesondere eisiger Objekte – als relevant und notwendig für die Interpretation der Daten. Als der leitende Forscher die erhaltenen Spektren untersuchte, identifizierte er Merkmale, die auf das Vorhandensein einer Scheibe aus eisigen Planetesimalen hindeuteten, die jener Scheibe sehr ähnlich war, aus der in früheren Zeiten der transneptunische Gürtel und so repräsentative Objekte wie Pluto entstanden. Zu diesem Zeitpunkt wandte sie sich an die asturische Forscherin, die über Erfahrung mit kleinen Körpern im Sonnensystem verfügte, um mit ihr bei der Interpretation der Spektralspektren zusammenzuarbeiten.

Laut dem Astrophysiker ist das James-Webb-Weltraumteleskop zu einer „Wunschmaschine“ der Wissenschaft geworden, die viele der Hypothesen, die die Erforschung des Kosmos jahrzehntelang geleitet haben, in echte Daten und Entdeckungen umgesetzt hat. „Webb schließt die Lücken zwischen den wichtigsten Maßstäben und Stadien der Planetenentstehung, vom interstellaren Medium und Molekülwolken bis hin zu protoplanetaren Scheiben, Exoplaneten und letztendlich unserem eigenen Sonnensystem“, betonte er.