Fehlendes Bindeglied für Wasser im Sonnensystem gefunden

Wie kam das Wasser, welches wir auf der Erde oder auf anderen Planetenmonden etc. finden, eigentlich in unser Sonnensystem? Astronomen haben mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gasförmiges Wasser in der planetenbildenden Scheibe um den Stern V883 Orionis entdeckt. Dieses Wasser trägt eine chemische Signatur, die die Reise des Wassers von sternbildenden Gaswolken zu Planeten erklärt und die Idee unterstützt, dass das Wasser auf der Erde sogar älter ist als unsere Sonne.

"Wir können jetzt die Ursprünge des Wassers in unserem Sonnensystem bis in die Zeit vor der Entstehung der Sonne zurückverfolgen", wird John J. Tobin, Astronom am National Radio Astronomy Observatory, USA, und Hauptautor in dieser Meldung aus der mit März 2023 in Nature veröffentlichten Studie zitiert.

Wasser in Staubscheibe V883 Orionis

Die Entdeckung wurde durch die Untersuchung der Zusammensetzung von Wasser in der planetenbildenden Scheibe V883 Orionis gemacht, die etwa 1300 Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

Wenn eine Wolke aus Gas und Staub kollabiert, bildet sich in ihrem Zentrum ein Stern. Zusätzlich entsteht aus dem Material der Wolke eine Scheibe um den Stern. Im Laufe von einigen Millionen Jahren verklumpt die Materie in der Scheibe und bildet Kometen, Asteroiden und schließlich Planeten.

Künstlerische Darstellung zeigt die planetenbildende Scheibe um den Stern V883 Orionis. Im äußersten Teil der Scheibe ist das Wasser in Form von Eis gefroren und kann daher nicht leicht nachgewiesen werden. Ein Energieausbruch des Sterns heizt die innere Scheibe auf eine Temperatur auf, bei der das Wasser gasförmig ist, so dass Astronomen und Astronominnen es nachweisen können. Herkunftsnachweis: ESO/L. Calçada

Tobin und sein Team nutzten ALMA, an dem die Europäische Südsternwarte (ESO) beteiligt ist, um chemische Signaturen des Wassers und dessen Weg von der Sternentstehungswolke zu den Planeten zu messen.

Wasser besteht normalerweise aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Tobins Team untersuchte eine etwas schwerere Version von Wasser, bei der eines der Wasserstoffatome durch Deuterium – ein schweres Isotop des Wasserstoffs – ersetzt ist. Da sich einfaches und schweres Wasser unter unterschiedlichen Bedingungen bilden, kann ihr Verhältnis dazu genutzt werden, um festzustellen, wann und wo das Wasser entstanden ist. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass dieses Verhältnis in einigen Kometen des Sonnensystems dem des Wassers auf der Erde ähnelt, was darauf hindeutet, dass Kometen Wasser auf die Erde gebracht haben könnten.

Reise des Wassers im All

Die Reise des Wassers von Wolken zu jungen Sternen und später von Kometen zu Planeten wurde bereits beobachtet, aber bisher fehlte die Verbindung zwischen den jungen Sternen und den Kometen. "V883 Orionis ist in diesem Fall das fehlende Glied", sagt Tobin. "Die Zusammensetzung des Wassers in der Scheibe ist der von Kometen in unserem eigenen Sonnensystem sehr ähnlich. Dies bestätigt die Idee, dass das Wasser in Planetensystemen vor Milliarden von Jahren vor der Sonne im interstellaren Raum entstanden ist und sowohl von Kometen als auch von der Erde relativ unverändert übernommen wurde."

Doch die Beobachtung des Wassers erwies sich als schwierig. "Das meiste Wasser in planetenbildenden Scheiben ist als Eis gefroren, so dass es uns normalerweise verborgen bleibt", sagt Mitautorin Margot Leemker, Doktorandin am Observatorium Leiden in den Niederlanden. Gasförmiges Wasser kann dank der Strahlung, die von den Molekülen bei ihren Drehungen und Schwingungen ausgesandt wird, nachgewiesen werden, aber mit gefrorenem Wasser ist es komplizierter, da die Bewegung der Moleküle stärker behindert wird. Gasförmiges Wasser findet sich in der Nähe des Sterns, in der Mitte der Scheiben, wo es wärmer ist. Diese nahen gelegenen Regionen werden jedoch von der Staubscheibe selbst verdeckt und sind außerdem zu klein, um mit unseren Teleskopen erfasst zu werden.

Heiße Gaswolke ermöglicht Untersuchung

Glücklicherweise wurde in einer kürzlich durchgeführten Studie nachgewiesen, dass die Scheibe von V883 Orionis ungewöhnlich heiß ist. Ein dramatischer Energieausbruch des Sterns heizt die Scheibe "auf eine Temperatur auf, bei der das Wasser nicht mehr in Form von Eis, sondern als Gas vorliegt, so dass wir es nachweisen können", sagt Tobin.

Dazu nutze das Team ALMA, eine Anordnung von Radioteleskopen im Norden Chiles. Dank der Empfindlichkeit und der Fähigkeit, kleine Details zu erkennen, konnten sie sowohl das Wasser aufspüren und seine Zusammensetzung bestimmen als auch seine Verteilung innerhalb der Scheibe kartieren. Die Beobachtungen ergaben, dass diese Scheibe mindestens 1200 Mal so viel Wasser enthält wie alle Ozeane der Erde.

In Zukunft wollen sie das kommende Extremely Large Telescope der ESO und dessen Instrument der ersten Generation, METIS, nutzen. Dieses Instrument für den mittleren Infrarotbereich wird den gasförmigen Teil des Wassers in solchen Scheiben auflösen können, um so den Weg des Wassers von den Sternentstehungswolken bis hin zum Sonnensystem besser zu verstehen. „Dies wird uns einen viel umfassenderen Blick auf das Eis und das Gas in Planeten bildenden Scheiben ermöglichen", so Leemker abschließend.

Diese Forschungsarbeit wurde in dem Artikel "Deuterium-enriched water ties planet-forming disks to comets and protostars" vorgestellt, der in Nature erscheint (doi: 10.1038/s41586-022-05676-z). Weitere Informationen und Fotos finden sich in dieser ESO-Mitteilung.