Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE).

9. April 2021 – Die niederländische Astronomin Ewine van Dishoeck (Universität Leiden, Niederlande und MPE Garching) hat zusammen mit einem internationalen Team einen Übersichtsartikel verfasst, der den Weg des Wassers im interstellaren Raum in bisher nicht bekannter Genauigkeit nachzeichnet. Die Erkenntnisse basieren im Wesentlichen auf Beobachtungen des Herschel-Weltraumobservatorium der ESA, das von 2009 bis 2013 im Einsatz war. Der Artikel, der in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde, fasst die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und liefert neue Informationen über den Ursprung von Wasser auf neuen, möglicherweise bewohnbaren Welten.

Wie und wo entsteht Wasser im interstellaren Raum? Wie gelangt es schließlich auf Planeten wie der Erde? Diese Fragen waren vor zehn Jahren noch nicht gut verstanden. Ein Grund besteht darin, dass Beobachtungen mit bodengebundenen Teleskopen durch den Wasserdampf in unserer eigenen Atmosphäre beeinflusst werden. Im Jahr 2009 startete die ESA das Weltraumteleskop Herschel, das im fernen Infrarotbereich beobachten konnte und bis 2013 im Einsatz war. Eines der Hauptziele von Herschel war die Erforschung von Wasser im Weltraum. In den letzten Jahren wurden Dutzende von wissenschaftlichen Artikeln veröffentlicht, die auf Daten von Herschel über Wasser basieren. Nun wurden diese Ergebnisse zusammengefasst und um neue Erkenntnisse erweitert.

Der neue Übersichtsartikel beschreibt den Weg des Wassers während des gesamten Sternentstehungsprozesses, einschließlich der Zwischenstadien, die bisher wenig Beachtung gefunden hatten. Das meiste Wasser bildet sich als Eis auf winzigen Staubpartikeln in kalten und dünnen interstellaren Wolken vor der Sternentstehung, wie eine Arbeit, die von MPE-Direktorin Paola Caselli geleitet wurde, zeigte. Kollabiert eine solche Wolke zu neuen Sternen und Planeten, bleibt dieses Wasser weitgehend erhalten und wird schnell in Staubpartikeln, die so groß wie Kieselsteine werden können, verankert. In der rotierenden Scheibe um den jungen Stern bilden diese Kieselsteine dann die Bausteine für neue Planeten.

Außerdem haben die Forscher berechnet, dass die meisten neuen Sonnensysteme mit genügend Wasser geboren werden, um mehrere tausend Ozeane zu füllen. Ewine van Dishoeck: „Es ist faszinierend zu erkennen, was in einem Glas Wasser steckt, das man trinkt. Die meisten dieser Moleküle entstanden vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren in der Wolke, aus der sich unsere Sonne und die Planeten gebildet haben.“

Viele der früheren Herschel-Ergebnisse konzentrierten sich auf heißen Wasserdampf, der in der Nähe von neu entstehenden Sternen deutlich sichtbar ist und reichlich produziert wird. Aber dieses heiße Wasser geht durch starke Ausströmungen des jungen Sterns ins All verloren. Während die Forscher den Übersichtsartikel verfassten, gewannen sie mehr und mehr Einblick in die Chemie des kalten Wasserdampfes und des Eises. So konnten sie beispielsweise zeigen, dass interstellares Eis Schicht für Schicht auf Staubpartikeln wächst. Diesen Schluss zogen sie aufgrund der schwachen Signale von schwerem Wasser (HDO und D2O statt H2O).

Für die Zukunft hoffen die Forscher, mehr Wasser im Universum untersuchen zu können, vor allem in gerade entstehenden Planetensystemen. Das könnte allerdings noch eine Weile dauern, da das nächste mit Herschel vergleichbare Weltraumteleskop frühestens im Jahr 2040 starten soll. Ewine van Dishoeck: „Es gab eine Chance, dass ein ‚Wasserteleskop‘ um 2030 ins All gehen würde, aber dieses Projekt wurde gestrichen. Das ist schade, aber es war ein zusätzlicher Grund für unser Team, den Übersichtsartikel über Wasser zu schreiben. Auf diese Weise haben wir ein kollektives Gedächtnis, wenn eine neue Mission ansteht.“

Außerdem wird Ende 2021 das James Webb Weltraumteleskop gestartet, mit dem in einer europäisch-amerikanischen Kollaboration gebauten MIRI-Instrument an Bord. Dieses soll in der Lage sein, warmen Wasserdampf in den innersten Zonen von Staubscheiben aufzuspüren und somit einen Teil des bisher unerreichbaren Wassers zu beobachten. Und die ALMA-Teleskope in Chile können vom Boden aus Wasserdampf im All beobachten. Dazu gehört auch Wasser in fernen Galaxien, das sich bei im Vergleich zur Erdatmosphäre verschobenen Wellenlängen beobachten lässt.

Über das Herschel-Weltraumteleskop
Herschel war ein Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), das in Zusammenarbeit mit der NASA gebaut wurde. Seine Instrumente HIFI und PACS wurden für die Wasserforschung eingesetzt. HIFI wurde von einem Konsortium von Instituten und Universitätsabteilungen aus ganz Europa, Kanada und den Vereinigten Staaten unter der Leitung des SRON Netherlands Institute for Space Research, Niederlande, entwickelt und gebaut, mit wichtigen Beiträgen aus Deutschland, Frankreich und den USA. Das PACS-Instrument wurde von einem Konsortium von Instituten und Universitäten aus ganz Europa unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Deutschland entwickelt. Ewine van Dishoeck leitete die Wasserforschung im Rahmen des WISH-Programms.

Originalveröffentlichung
Ewine F. van Dishoeck et al.
Water in star-forming regions: physics and chemistry from clouds to disks as probed by Herschel spectroscopy
Accepted for publication in Astronomy & Astrophysics, 2021
Source: https://arxiv.org/abs/2102.02225

Der Beitrag Warum unser Trinkwasser mehrere Milliarden Jahre alt ist erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Spaceflight Now, ESA, Raumfahrer.net.

Die Raumsonde Herschel, die am 14. Mai 2009 gemeinsam mit Planck auf einer Ariane-5-Trägerrakete ins All gebracht wurde, umläuft gegenwärtig den Lagrangepunkt 2 des Sonne-Erde-Systems, wenn man das so sagen darf. L2 ist nämlich kein Himmelskörper sondern nur ein wandernder Punkt im All, an dem sich die gemeinsamen Schwerkräfte von Sonne und Erde (und Mond) mit der Fliehkraft der Bahn die Waage halten. Er liegt von der Sonne aus gesehen etwa 1,5 Millionen Kilometer hinter der Erde. Diesen Punkt umläuft das Teleskop in einem 800.000-Kilometer-Halo-Orbit quasi im Schatten der Erde.

Aufgabe des Teleskops ist es, mit seinem 3,5 Meter durchmessenden Hauptspiegel möglichst viel Infrarotstrahlung zu sammeln und auf mehrere temperaturempfindliche Sensoren zu lenken. Damit man auch relativ kühle Objekte im All untersuchen kann, werden die Sensoren sehr aufwändig auf bis zu 0,3 K, also 0,3 Grad über dem absoluten Nullpunkt, gekühlt. Mit Hilfe einer sehr komplexen Elektronik wird bei HIFI das Messsignal in einen Frequenzbereich verlagert, der mit unseren gegenwärtigen technischen Möglichkeiten erheblich präziser detektiert werden kann. Dazu wird über eine Local Oszillator Control Unit eine spezielle Diode, die das Trägersignal erzeugt, gesteuert.

Bei einem Spannungsstoß wurde diese Diode am 3. August 2009, noch vor der Inbetriebnahme von HIFI zerstört, obwohl man zuvor Schutzmaßnahmen in die Wege geleitet hatte. Die Elektronik hatte aber nicht wie gewünscht reagiert. Mittlerweile hat man die Ersatzeinheit so modifiziert, dass ein ähnlicher Vorfall nicht mehr vorkommen sollte. Um den 10. Januar herum soll diese Ersatzeinheit nun aktiviert werden. Danach will man HIFI zügig kalibrieren, um mit den eigentlichen Messungen beginnen zu können.

Im November 2009 hat die ESA erste Forschungsergebnisse präsentiert, die mit den anderen beiden Messinstrumenten SPIRE (Spectral and Photometric Imageing Receiver) und PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer) gewonnen wurden.

Raumcon:

• Ariane 5 ECA V-188 mit Herschel/Planck
• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck

Der Beitrag Herschel bald mit HIFI erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: ESA, Raumfahrer.net, Wikipedia, astronomie-heute.de. Vertont von Peter Rittinger.

Das Weltraumteleskop Herschel wurde am 14. Mai mit einer Ariane-5-Trägerrakete vom Raumfahrtgelände bei Kourou in französisch Guayana gestartet. Bis Mitte Juli war es unterwegs zu seinem Zielorbit, einer Umlaufbahn um den Lagrangepunkt 2, der etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt auf der sonnenabgewandten Seite unseres Heimatplaneten liegt. An diesem Punkt gleichen sich die Gravitationskräfte von Sonne und Erde mit der Fliehkraft der Bahn aus. Herschel umläuft diesen Lagrangepunkt in etwa 700.000 Kilometern Abstand. Weitgehend ungestört von Einflüssen der Erde und abgeschirmt von der Sonne können die Instrumente des Großteleskops hier die infrarote Strahlung, die von verschiedensten Himmelskörpern ausgesandt wird, genauer analysieren. Dazu verfügt Herschel über einen 3,5 Meter durchmessenden Hauptspiegel, zwei Kameras und drei Spektrometerkomplexe.

SPIRE steht für Spectral and Photometric Imageing Receiver und ist ein Fourier-Transformationsspektrometer, das Strahlung im Wellenlängenbereich von 194 bis 672 Mikrometern analysieren kann. Dies entspricht etwa dem Tausendfachen der Wellenlängen sichtbaren Lichts. Infrarote Strahlung hat den Vorteil, dass sie Gas- und Staubwolken durchdringt. Außerdem hinterlassen diese Wolken selbst charakteristische Spuren im Licht, so dass auch deren Zusammensetzung messbar wird. Ergänzt wird SPIRE durch PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer) und HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared) für Untersuchungen bei Wellenlängen im fernen Infrarotbereich von 57 bis 210 Mikrometern. Um Wärmestrahlung, die Temperaturen von nur wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt entspricht, messen zu können, müssen die Instrumente mittels suprafluidem Helium und weiterer Mechanismen stark gekühlt werden. Die Betriebstemperaturen der Messeinrichtungen liegen zwischen -273 und -271 Grad Celsius (0,3-2 Kelvin). Genaueres zu Instrumenten und deren Kühlung hat Karl Urban zu Beginn der Mission in seinem ausführlichen Artikel Herschel und Planck: Ein Blick hinter die Kulissen bei Raumfahrer.net geschrieben.

Gestern präsentierte die ESA nun eine ganze Reihe von Ergebnissen, die mit Hilfe der Spektrometer der Raumsonde Herschel gewonnen wurden. Sie betreffen alle Instrumente und verschiedene Klassen von Beobachtungsobjekten. So wurden massive Sterne, Kometen, Sternentstehungsgebiete und verschiedene Galaxientypen spektroskopisch untersucht. Die Daten wurden in der Kalibrierungs- und Erprobungsphase des Teleskops erfasst, stellen aber bereits jetzt dessen Leistungsfähigkeit unter Beweis. Die offizielle Messkampagne wird etwa 3 Jahre dauern, solange, bis der etwa 2.400 kg große Heliumvorrat erschöpft ist.

Mit dem Instrument SPIRE wurde der größte bekannte Stern, VY Canis Majoris, anvisiert. Dabei handelt es sich um einen roten Überriesen, der riesige Mengen Materie in seine Umgebung auswirft. Diese Materie wird von kosmischen Winden (Teilchenstrahlung) relativ einseitig weggedrückt. Dadurch erscheint der Stern als starke Lichtquelle am Rande einer riesigen kosmischen Gas- und Staubwolke. Das nun von der ESA vorgestellte Teilspektrum zeigt deutliche Linien, die durch Kohlentoffmonoxid und Wasserdampf hervorgerufen werden. Spektren leuchtender Körper enthalten bestimmte scharf begrenzte Wellenlängen, sogenannte Linien, die für die vorhandenen Stoffe typisch sind. Durchdringt das Licht kalte Wolken, so hinterlassen auch diese ihre charakteristischen Marker, durch die man viel über die Wolke erfährt. Insgesamt lässt sich eine ganze Reihe chemischer und physikalischer Daten aus den Spektren gewinnen. Dazu gehören die Zusammensetzung, prozentuale Anteile der Stoffe, Temperatur und Ionisation, aber auch die Größe von Staubpartikeln.

Neben den oben erwähnten CO- und H₂O-Linien konnten mehr als 200 weitere identifiziert werden. Außerdem wurden auch Linien gemessen, die bisher nicht zugeordnet werden konnten. Die Komplettanalyse eines Spektrums ist vergleichbar mit der Untersuchung von Fingerabdrücken und erfordert durchaus etwas detektivischen Spürsinn. Die Herschel-Spektren von VY Canis Majoris verbessern unsere Kenntnisse über Mechanismen beim Masseverlust massiver Sterne und die komplexe Chemie in deren Umfeld. Hier entstehen aus Wasserstoff sowie den im Stern durch Fusionsprozesse gebildeten Atomen wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff einfache und komplexe organische und anorganische Verbindungen sowie unterschiedliche Staubarten. Diese bilden gewaltige durch das All treibende Wolken, die den Grundstoff für neue Sterne, Planeten und kosmische Kleinkörper darstellen. VY Canis Majoris ist etwa 4.900 Lichtjahre von der Erde entfernt. Der Stern leuchtet 100.000-mal heller als die Sonne, hat die dreißig- bis vierzigfache Masse und den 2.600-fachen Durchmesser unseres Zentralgestirns. Er wirft gegenwärtig große Mengen Material aus und befindet sich, in astronomischen Maßstäben gerechnet, kurz vor dem Ende seiner Existenz. Dann wird er zu einer Supernova.

Ebenfalls mit SPIRE wurde die Balkenspiralgalaxie M 82 (Messier 82) erforscht. Sie befindet sich im Sternbild Ursa Major (Großer Bär), ist etwa 14 Millionen Lichtjahre von uns entfernt, hat einen Durchmesser von 40.000 Lichtjahren und gehört zur M-81- Galaxiengruppe im Virgo-Superhaufen. Im Infrarotbereich ist die kleine Galaxie eine der hellsten überhaupt, was sie zu einem geeigneten Untersuchungsobjekt für die Erprobungsphase des Herschel-Teleskops macht. In M 82 gibt es große Sternentstehungsgebiete. Ebenso wie das Ende von Sternen ist deren Geburt besonders interessant für Astronomen. Im Spektralausschnitt von 200 bis etwa 700 Mikrometern lassen sich mühelos charakteristische Linien für Kohlenstoff, Kohlenstoffmonoxid und Stickstoff-Ionen identifizieren.

Auch Kometen werden, sobald sie in Sonnennähe kommen und dabei einen Gas- und Staubschweif sowie eine Koma entwickeln, interessant für Infrarotbeobachtungen. Durch die Untersuchung verschiedener Kometen will man Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den kosmischen Vagabunden genauer feststellen. Eine gut ausgeprägte für Wasser typische Spektrallinie bei 557 GHz dürfte immer dabei sein. Kometen sind u. a. auch deshalb für Astronomen interessant, weil sie sich seit ihrer Entstehung beinahe immer in sehr kalten Bereichen des Sonnensystems aufgehalten haben. Dadurch sind kaum chemische Veränderungen möglich, sodass die Materie noch in ihrer Urform vorliegt. Der Komet Garradd wurde im Januar 2007 entdeckt. Sein sonnennächster Punkt liegt bei gut 600 Millionen Kilometern Abstand vom Zentralgestirn, seine Umlaufzeit bei etwa 10,6 Jahren.

Raumcon:

• Astronomie: Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck
• Unbemannte Raumfahrt: Ariane 5 ECA V-188 mit Herschel/Planck
• Astronomie: Sternentstehung

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