Weltraumteleskop enthüllt die dunkle Chemie des prästellaren Eises

In Chamäleon I verstecken sich viele gefrorene Moleküle

25.01.2023 - Deutschland

Ein internationales Team hat mithilfe des James-Webb-Teleskops (JWST) der NASA/ESA/CSA unterschiedliches „Eis“ in den dunkelsten und kältesten Regionen einer Molekülwolke entdeckt, die je untersucht wurden. Dieses Ergebnis ermöglicht es den Forschenden, einfache Moleküle zu analysieren, die in zukünftigen Exoplaneten enthalten sein könnten, und eröffnet gleichzeitig ein neues Fenster zum Ursprung komplexerer Moleküle, die der erste Schritt bei der Entstehung der Bausteine des Lebens sind.

Für die Entstehung eines bewohnbaren Planeten sind gefrorene Moleküle von entscheidender Bedeutung, da sie mehrere wichtige leichte Elemente liefern: Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel (zusammenfassend nach ihren Symbolen als CHONS bezeichnet). Diese Elemente sind zentrale Bestandteile der Planetenatmosphären und auch von Molekülen wie Zucker, Alkoholen und einfachen Aminosäuren. Auf unsere Erde gelangten diese Elemente vermutlich durch Einschläge von eisigen Kometen oder Asteroiden. Außerdem glauben die Astronomen und Astronominnen, dass solche Eiskristalle höchstwahrscheinlich bereits in der dunklen Wolke aus kaltem Staub und Gas vorhanden waren, aus der schließlich unser Sonnensystem entstand. In derartigen Regionen des Alls liefern eisige Staubkörner einzigartige Bedingungen für chemische Reaktionen zwischen Atomen und Molekülen, aus denen sich ganz gewöhnliche Stoffe wie Wasser bilden können. Detaillierte Laborstudien haben außerdem gezeigt, dass unter diesen eisigen Bedingungen auch einfache präbiotische Moleküle entstehen können.

Ein internationales Team hat nun mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA/ESA/CSA eine detaillierte Bestandsaufnahme der kältesten bisher gemessenen Eismassen in einer Molekülwolke veröffentlicht. Das Team suchte gezielt nach Eis in einer besonders kalten, dichten und schwer zu untersuchenden Region der Molekülwolke Chamäleon I, einer etwa 600 Lichtjahre von der Erde entfernten Gegend, in der sich Dutzende von jungen Sternen bilden.

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Neben einfachen Eismolekülen wie Wasser konnte das Team gefrorene Formen einer breiten Palette von Molekülen identifizieren, von Kohlendioxid, Ammoniak und Methan bis hin zum komplexen organischen Molekül Methanol. Dies ist die bisher umfassendste Bestandsaufnahme der eisigen Bestandteile, die für die Bildung künftiger Generationen von Sternen und Planeten zur Verfügung stehen, bevor sie bei der Entstehung junger Sterne aufgeheizt werden. Die Eiskörner wachsen, wenn sie in die protoplanetaren Scheiben aus Gas und Staub um diese jungen Sterne stürzen. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen können somit alle möglichen Eismoleküle untersuchen, die in zukünftige Exoplaneten eingebaut werden können.

„Unsere Ergebnisse geben Einblicke in die Phase der ersten, dunklen Chemie, während der sich auf den interstellaren Staubkörnern Eis bildet, welche dann zu den zentimetergroßen Brocken heranwachsen, aus denen sich in den Scheiben schließlich die Planeten bilden“, sagte Melissa McClure, Astronomin am Leiden Observatory. Sie leitet das Beobachtungsprogramm und ist Hauptautorin der Veröffentlichung, in der dieses Ergebnis beschrieben wird.

Die Beobachtungen wurden mit drei Instrumenten am JWST durchgeführt, darunter MIRI, das gemeinsam von der NASA, der ESA und einem europäischen Konsortium entwickelt wurde. Die Leidener Gruppe mit Prof. Ewine van Dishoeck hat auch Eisspektren im Labor gemessen, um sie mit den Beobachtungsdaten zu vergleichen und so die verschiedenen Eissorten zu identifizieren. „Die Qualität und Empfindlichkeit dieser frühen JWST-Daten übertrifft sogar noch unsere Erwartungen: Wir sind in der Lage, Quellen zu beobachten, die tausendmal schwächer sind, als es bisher möglich war. Wir finden sogar die 13-C-Version von CO₂-Eis“, betont Prof. van Dishoeck, die auch Mitglied des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) ist.

Diese Forschung ist Teil des „Ice Age“-Projekts, eines der 13 „Early Release“-Wissenschaftsprogramme des James-Webb-Teleskops. Diese Beobachtungen sollen die Möglichkeiten mit dem JWST aufzeigen und der astronomischen Gemeinschaft demonstrieren, wie man das Beste aus den Instrumenten herausholen kann. Das IceAge-Team hat bereits weitere Beobachtungen geplant und hofft, den Weg des Eises von seiner Entstehung bis zur Bildung von Eiskometen nachvollziehen zu können.

„Es ist äußerst spannend, die Zusammensetzung der Eismäntel um Staubkörnchen in den dunklen und dichten Regionen interstellarer Wolken zu enthüllen“, sagt Prof. Paola Caselli, Direktorin des Zentrums für Astrochemische Studien am MPE, die ebenfalls an der Studie beteiligt war. Diese Regionen sind die Vorläufer von Planetensystemen wie dem unseren. Zumindest ein Teil dieses Eises, einschließlich der komplexen organischen Moleküle, die Vorläufer präbiotischer Spezies sind, wird in zukünftige Planetensysteme eingebaut. „Wir können nun – dank JWST und IceAge – Beobachtungen von interstellarem Eis quantitativ mit unseren detaillierten chemischen Modellen für Gas und Staub vergleichen. Die Oberflächenchemie ist am wenigsten verstanden, daher sind diese Daten so wertvoll“, schließt Caselli.