Ein internationales Team von Astronomen hat mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA erstmals Wasser und andere Moleküle in den inneren Scheibenregionen beobachtet, aus denen Gesteinsplaneten bestehen – in einer der extremsten Umgebungen unserer Galaxie.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bedingungen für die Entstehung von Gesteinsplaneten, die typischerweise in Scheiben in Regionen herrschen, in denen massearme Sterne entstehen, auch in Regionen herrschen könnten, in denen massereiche Sterne entstehen, und vielleicht in einem breiteren Spektrum von Umgebungen, berichtet die Europäische Weltraumorganisation im Astrophysical Journal.
Dies sind die ersten Ergebnisse des eXtreme UV Environments (XUE)-Programms des James Webb-Weltraumteleskops der NASA, das sich auf die Charakterisierung von Planetenentstehungsscheiben in Regionen konzentriert, in denen massereiche Sterne entstehen. Diese Regionen stellen wahrscheinlich die Umgebung dar, in der die meisten Planetensysteme entstanden sind. Für Wissenschaftler ist es wichtig, den Einfluss der Umwelt auf die Planetenentstehung zu verstehen, um Einblicke in die Vielfalt der beobachteten Exoplanetenpopulationen zu gewinnen.
Künstlerische Darstellung einer protoplanetaren Scheibe. ESA
Das XUE-Programm zielt auf insgesamt 15 Scheiben in drei Regionen des Hummernebels (auch bekannt als NGC 6357), einem großen Emissionsnebel etwa 5.500 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Skorpion. Der Hummernebel ist eine der jüngsten und nächstgelegenen Sternentstehungsregionen und enthält einige der massereichsten Sterne unserer Galaxie. Massereiche Sterne sind heißer und senden daher mehr ultraviolette (UV-)Strahlung aus. Dies könnte zu einer Zerstreuung des Gases in der Scheibe führen, wodurch ihre erwartete Lebensdauer auf lediglich eine Million Jahre sinken würde. Dank Webb können Astronomen nun die Auswirkungen der UV-Strahlung auf die inneren Bereiche von protoplanetaren Scheiben um Sterne wie unsere Sonne untersuchen, aus denen sich Gesteinsplaneten bilden.
„Webb ist das einzige Teleskop mit der räumlichen Auflösung und Empfindlichkeit, die nötig ist, um Planetenentstehungsscheiben in Regionen zu untersuchen, in denen massereiche Sterne entstehen“, sagte Teamleiterin Maria Claudia Ramirez-Tannus vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Deutschland.
Astronomen beabsichtigen, die physikalischen Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung der Gesteinsplaneten-Entstehungsregionen im Hummernebel mithilfe des Webb Medium Resolution Spectrometer (MRS) auf dem Mid-Infrared Imager (MIRI)-Instrument zu charakterisieren. Dieses erste Ergebnis konzentriert sich auf eine protoplanetare Scheibe namens XUE 1, die sich im Sternhaufen Pismis 24 befindet.
Protoplanetare Scheibe XUE 1 (MIRI-Emissionsspektrum: 13,3–15,5 μm). ESA
„Nur der Wellenlängenbereich und die spektrale Auflösung von MIRI ermöglichen es uns, die molekulare Zusammensetzung und die physikalischen Bedingungen des warmen Gases und Staubs zu untersuchen, in dem sich Gesteinsplaneten bilden“, sagte Teammitglied Arjan Bik von der Universität Stockholm in Schweden.
Aufgrund seiner Lage in der Nähe mehrerer massereicher Sterne in NGC6357 gehen Wissenschaftler davon aus, dass XUE 1 während seiner gesamten Lebensdauer kontinuierlich starker ultravioletter Strahlung ausgesetzt war. Allerdings fand das Team in dieser extremen Umgebung eine Reihe von Molekülen, die die Bausteine von Gesteinsplaneten bilden.
„Wir haben festgestellt, dass die innere Scheibe um XUE 1 bemerkenswerte Ähnlichkeiten mit den Scheiben in nahegelegenen Sternentstehungsgebieten aufweist“, sagte Teammitglied Rens Waters von der Radboud-Universität in den Niederlanden. „Wir haben Wasser und andere Moleküle wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Blausäure und Acetylen nachgewiesen. Die gemessene Strahlung war jedoch schwächer als von einigen Modellen vorhergesagt. Dies könnte auf einen kleinen Radius der äußeren Scheibe hindeuten.“
„Wir waren überrascht und aufgeregt, weil diese Moleküle zum ersten Mal unter solch extremen Bedingungen entdeckt wurden“, fügte Lars Kuipers von der Radboud-Universität hinzu. Das Team fand außerdem Hinweise auf kleine, teilweise kristalline Silikatstaubkörner auf der Oberfläche der Scheibe. Sie gelten als Bausteine der Gesteinsplaneten.
Protoplanetare Scheibe XUE 1 (MIRI-Emissionsspektrum: 4,95–5,15 μm). ESA
Diese Ergebnisse sind eine gute Nachricht für das Gebiet der Entstehung von Gesteinsplaneten, da das Team herausfand, dass die Bedingungen in der inneren Scheibe denen in gut untersuchten Scheiben ähneln, die sich in nahegelegenen Sternentstehungsgebieten befinden, in denen nur Sterne mit geringer Masse entstehen. Dies lässt darauf schließen, dass Gesteinsplaneten in einem viel größeren Spektrum an Umgebungen entstehen können als bisher angenommen.
Die Gruppe weist darauf hin, dass die verbleibenden Beobachtungen aus dem XUE-Programm von entscheidender Bedeutung sind, um die Gemeinsamkeit dieser Bedingungen festzustellen.
„XUE1 zeigt uns, dass die Bedingungen für die Entstehung von Gesteinsplaneten gegeben sind. Der nächste Schritt besteht also darin, zu testen, wie häufig dies vorkommt“, sagt Ramirez-Tannus. „Wir werden andere Scheiben in der gleichen Region beobachten, um die Häufigkeit zu bestimmen, mit der diese Bedingungen beobachtet werden können.“
Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All geschickt wurde. Im Rahmen eines internationalen Kooperationsabkommens stellte die ESA den Startdienst für das Teleskop mit der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifikation der Ariane-5-Adaptionen für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung der Startdienste durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den leistungsstarken Spektrographen NIRSpec und 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI zur Verfügung, das von einem Konsortium national finanzierter europäischer Institute (dem European MIRI Consortium) in Zusammenarbeit mit JPL und der University of Arizona entworfen und gebaut wurde. Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen NASA, ESA und der Canadian Space Agency (CSA).
