Durch die Auswertung von Beobachtungsdaten des Weltraumteleskops Herschel ist einem internationalen Wissenschaftlerteam der Nachweis von Wasserdampf gelungen, welcher sich in der protoplanetaren Staubscheibe des Sterns TW Hydrae befindet. Erstmals konnte Wasserdampf dabei auch in den äußeren Bereichen einer solchen Scheibe detektiert werden.
Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESA, JPL, Science. Vertont von Peter Rittinger.
(Bild: ESA, NASA, JPL-Caltech)
Das Beobachtungsziel des von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebenen Infrarot-Weltraumteleskops Herschel war der etwa 175 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt gelegene junge Zwergstern TW Hydrae im Sternbild Wasserschlange (lateinischer Name: Hydra). Dieser Vertreter der T-Tauri-Sterne verfügt über ein Alter von etwa fünf bis zehn Millionen Jahren und ist von einer sogenannten protoplanetaren Scheibe umgeben. Hierbei handelt es sich um eine flache, ringförmig verlaufende Ansammlung von Gas und Staub, welche den Stern umrundet.
Vergleichbare Objekte konnten von den Astronomen in den letzten Jahrzehnten in der Umgebung vieler junger Sterne nachgewiesen werden. Aus solchen Akkretionsscheiben gehen nach der gängigen Theorie zur Planetenbildung im Laufe mehrerer Millionen Jahre Planeten hervor. Auch aus der Scheibe um TW Hydrae, welche über eine Ausdehnung von fast 400 Astronomischen Einheiten verfügt, werden sich in der Zukunft Planeten, Asteroiden und Kometen bilden.
In den inneren, relativ warmen Regionen solcher protoplanetarer Scheiben gelang Astronomen bereits häufiger der Nachweis von größere Mengen an “heißen” Wasserdampf. Jetzt konnte durch die Untersuchung der Staubscheibe von TW Hydrae auch erstmals in den äußeren, deutlich kühleren Bereichen einer solchen Scheibe “kalter” Wasserdampf nachgewiesen werden. Die Beobachtungsdaten des Herschel-Weltraumteleskops deuten darauf hin, dass sich der Wasserdampf vom inneren Bereich der Scheibe bis zu einer Entfernung von 115 Astronomischen Einheiten vom Zentralstern erstreckt. Für ihre in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins “Science” publizierten Entdeckung benutzten die Astronomen das “Heterodyne Instrument for the Far Infrared”-Spektrometer (HIFI) an Bord von Herschel.
Um die Menge des bei TW Hydrae detektierten Wasserdampfs abzuschätzen, simulierte ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung des Astronomen Michiel R. Hogerheijde von der Universität Leiden in den Niederlanden die chemischen und physikalischen Prozesse, welche sich im Inneren der Scheibe abspielen, und verglich die dabei gewonnenen Ergebnisse mit den Messdaten von Herschel. Demzufolge entspricht die im Bereich der protoplanetaren Scheibe von TW Hydrae nachgewiesene Menge an Wasserdampf rund 0,5 Prozent der in den irdischen Ozeanen befindlichen Wassermenge.
(Bild: ESA, NASA, JPL-Caltech, M. Hogerheijde (Leiden Observatory))
Dies ist allerdings lediglich die “Spitze eines Eisberges”, so Hogerheijde, denn die Menge des gesamten in der protoplanetaren Scheibe von TW Hydrae befindlichen Wassers fällt deutlich höher aus. Im inneren Bereich einer protoplanetaren Scheibe ist die Temperatur zu hoch, als das sich der Wasserdampf in Form von Eis ablagern kann. In den äußeren Regionen der Scheibe gefriert der Wasserdampf dagegen bei Temperaturen von rund minus 250 Grad Celsius an den Oberflächen der dort befindlichen Staubkörner zu Eis.
Die von dem Stern ausgehende UV- und Röntgenstrahlung führt dazu, dass sich die Wassereismoleküle in der oberen Schichten der protoplanetaren Wolke wieder von dem Staub trennen und anschließend erneut in den gasförmigen Zustand übergehen. Dabei erzeugen sie eine dünne Schicht aus Wasserdampf, welche den äußeren Rand der Scheibe umgibt. Und lediglich diese dünne Schicht aus Wasserdampfmolekülen konnte vom HIFI-Instrument nachgewiesen werden. Um die hierbei detektierte Menge an Wasserdampf zu erzeugen, so die Ergebnisse der Computermodelle, muss die Gesamtmasse der im Inneren der Staubscheibe von TW Hydrae befindlichen Eisvorkommen die Wasserbestände aller irdischer Ozeane mehrere tausend Mal übertreffen. Die Gesamtmasse des Wassereises bei TW Hydrae beläuft sich diesen Modellen zufolge auf eine Masse von 9.1027 Gramm.
Die Forschungsergebnisse werden den Astronomen dabei helfen, die bisherigen Modelle der Planetenentstehung weiter zu verfeinern und dadurch letztlich auch die Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte unseres eigenen Sonnensystems noch besser zu verstehen. Von besonderem Interesse ist dabei das bessere Verständnis der Rolle, welche das Wasser in protoplanetaren Scheiben spielt.
“Die Untersuchung von Wasser in einer protoplanetaren Scheibe ist von großer Bedeutung für unser Verständnis über die Prozesse, welche sich bei der Bildung eines Planetensystems abspielen”, so Göran Pilbratt, Herschel-Projektwissenschaftler der ESA. So könnten sich zum Beispiel neue Hinweise zur Beantwortung der Frage ergeben, auf welche Weise einstmals das Wasser auf die Erde gelangt ist.
Speziell in den äußeren Bereichen einer protoplanetaren Scheibe bilden sich aus den dort befindlichen Staubkörnern die Kometen eines Sonnensystems und das ebenfalls in den Kometen enthaltene Wasser wird als eine der Quellen angesehen, welche Planeten mit Wasser versorgen. Eine entsprechende Theorie erhielt erst kürzlich weiteren Auftrieb, als Wissenschaftler entdeckten, dass das im Kometen Hartley 2 enthaltene Wasser von seiner Zusammensetzung her dem Wasser in den irdischen Ozeanen gleicht.
Auch das in der protoplanetaren Scheibe von TW Hydrae enthaltene Wasser könnte somit in der Zukunft einmal den Planeten zur Verfügung stehen, welche sich um diesen Stern bilden werden.
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