Wassereis um jungen sonnenähnlichen Stern entdeckt: Ein Durchbruch in der Planetenforschung

Wassereis um jungen sonnenähnlichen Stern gefunden: Meilenstein für die Planetenwissenschaft

Erstmals haben Astronomen die Existenz von Wassereis in der Trümmerscheibe eines jungen, sonnenähnlichen Sterns bestätigt – ein zentrales Ergebnis, das unser Verständnis zur Entstehung und Entwicklung von Planetensystemen, auch unseres eigenen, erheblich vertieft. Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) entdeckte ein Team der Johns Hopkins University (JHU) gemeinsam mit internationalen Partnern Wassereis, das HD 181327 umkreist. Dieser gerade einmal 23 Millionen Jahre alte Stern liegt etwa 155 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Wissenschaftlicher Kontext: Die Rolle von Wasser in der frühen Entwicklung planetarer Systeme

Seit Jahrzehnten vermuten Forscher, dass die äußeren Bereiche des Sonnensystems reich an Wasser in Form von Eis sind. Kometen und Asteroiden könnten diese lebenswichtige Ressource während des sogenannten späten schweren Bombardements (vor etwa 4 Milliarden Jahren) zur Erde und anderen Gesteinsplaneten gebracht haben. Hinweise aus eisreichen Regionen wie dem Kuipergürtel – einem fernen Bereich voller gefrorener Himmelskörper und Trümmer – legen nahe, dass ähnliche Prozesse auch bei der Entstehung anderer Planetensysteme ablaufen. Doch direkte Beobachtungen außerhalb unseres Sonnensystems blieben bislang aus.

Mit leistungsstarken Weltraumteleskopen wie dem JWST ist es nun möglich, Stern- und Planetenentstehung in Echtzeit zu verfolgen. Die aktuelle Entdeckung liefert erstmals eindeutige Belege dafür, dass Wassereis nicht nur in unserem Sonnensystem eine entscheidende Rolle spielt, sondern auch in protoplanetaren Scheiben junger, sonnenähnlicher Sterne überall in der Milchstraße vorkommt.

Beobachtungen mit JWST: Untersuchungsmethoden und Ergebnisse

Astronomen analysierten HD 181327, ein im kosmischen Vergleich sehr junges Sternsystem. Umgeben ist der Stern von einer mächtigen protoplanetaren Scheibe – eine rotierende Zone aus Gas, Staub und Eis, aus der eines Tages neue Planeten und kleinere Objekte entstehen werden. Durch den Einsatz des hochmodernen Nahinfrarot-Spektrografen (NIRSpec) von JWST identifizierten die Wissenschaftler klare chemische Signaturen von kristallinem Wassereis in der Trümmerscheibe.

Auffällig ist, dass der Großteil des Wassereises im äußeren Trümmerring liegt, wo es über 20 Prozent der Masse des Rings ausmacht. Diese Bedingungen ähneln denen im Kuipergürtel unseres Sonnensystems, wo sogenannte „dreckige Schneebälle“ – eisige Objekte, die aus gefrorenem Wasser und Staubpartikeln bestehen – dominieren.

Die Forscher stellten zudem ein klares Gefälle fest: Je näher man zum Stern kommt, desto weniger Wassereis ist vorhanden. In etwa auf halbem Weg zwischen dem Scheibenrand und dem Zentralstern besteht rund 8 Prozent der Materie aus Eis, während in den innersten Regionen kaum noch nachweisbares Eis existiert. Diese Verteilung erklärt sich höchstwahrscheinlich durch die intensive UV-Strahlung des Sterns, die in der Nähe das Eis verdampfen lässt. Zudem vermuten Wissenschaftler, dass ein Teil des Wassers in Gesteinsplanetesimalen oder bereits entstehenden planetaren Körpern gebunden ist, die für das JWST derzeit unauffindbar bleiben.

Experteneinschätzungen und wissenschaftliche Bedeutung

Dr. Chen Xie, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der JHU und Hauptautor der Studie, betonte in einer Mitteilung der NASA: „Webb hat nicht nur eindeutig Wassereis, sondern kristallines Wassereis festgestellt – wie es auch in Saturnringen und Kuipergürtel-Objekten unseres Sonnensystems vorkommt. Wassereis fördert die Planetenbildung, und eisreiche Materialien könnten letztlich auf erdähnlichen Planeten landen, die sich in den nächsten Hundertmillionen Jahren in solchen Systemen noch bilden.“

Koautorin Christine Chen (Space Telescope Science Institute) ergänzte: „Bemerkenswert ist, dass diese Daten den aktuellen JWST-Beobachtungen von Kuipergürtel-Objekten in unserem Sonnensystem stark ähneln. Vor Webb war unsere Messtechnik schlicht nicht sensibel genug.“

Aufbau der Scheibe und aktive Planetenentstehung

JWST-Bilder enthüllten außerdem einen ausgeprägten, staubfreien Spalt zwischen Stern und Trümmerscheibe – ähnlich den Strukturen reiferer Sonnensysteme. Jenseits dieser Lücke befindet sich eine Zone, die dem Kuipergürtel gleicht: dicht besiedelt mit eisigen Objekten und Kleinkörpern. Die Forscher beobachteten fortlaufende Kollisionen unter diesen Himmelskörpern – dynamische Prozesse, die frische Wolken aus staubigem Eis produzieren. Solche Ereignisse spiegeln Vorgänge wider, wie sie vermutlich auch in der Frühphase unseres eigenen Sonnensystems stattfanden.

„HD 181327 ist ein sehr aktives System“, so Chen. „Es gibt dort regelmäßige, kontinuierliche Kollisionen in der Trümmerscheibe. Bei diesen Zusammenstößen wird feines, staubiges Wassereis freigesetzt, das sich ideal für die Detektion mit Webb eignet.“ Diese Ergebnisse bestätigen frühere, aber weniger präzise Hinweise aus Beobachtungen mit dem Spitzer Space Telescope von 2008.

Folgen für die Planetenentstehung und kommende Forschungsprojekte

Der sichere Nachweis von Wassereis in einem jungen Planetensystem spricht dafür, dass Wassertransport ein grundlegender Prozess bei der Geburt von Planetensystemen ist. Dies hilft zu erklären, wie die Erde zu ihrem lebenswichtigen Wasser kam, und weist auf die Möglichkeit bewohnbarer Umgebungen auch außerhalb unseres Systems hin.

Mit neuen Teleskopen wie dem JWST, die immer empfindlicher und genauer messen, erwarten Wissenschaftler weitere Entdeckungen wasserreicher, junger Systeme. Zukünftige Untersuchungen von Trümmerscheiben und protoplanetaren Bereichen werden unser Wissen über die Stadien der Planetenentstehung – von ersten Staub- und Eiskollisionen bis zur Entstehung potentiell bewohnbarer Welten – stetig vertiefen.

Fazit

Die bahnbrechende Entdeckung von Wassereis in der Trümmerscheibe von HD 181327 durch das JWST bestätigt jahrzehntelange Theorien über die Herkunft von planetarem Wasser. Mit dem ersten klaren Nachweis solcher Bedingungen außerhalb unseres Sonnensystems eröffnen diese Beobachtungen ein neues Verständnis für die gemeinsame Entwicklung von Planetensystemen in der Milchstraße. Weitere Studien ähnlicher Systeme könnten nicht nur unser Wissen über den Ursprung des Lebens auf der Erde erweitern, sondern auch zeigen, wo andernorts erdähnliche Planeten – und vielleicht Leben – entstehen könnten.