Ein internationales Team hat gerade die Zerstörung und Neubildung einer großen Menge Wasser in einer protoplanetaren Scheibe im Herzen des Orionnebels nachgewiesen.
Diese Entdeckung wurde durch einen originellen multidisziplinären Ansatz ermöglicht, der Beobachtungen des JWST-Weltraumteleskops und quantenphysikalische Berechnungen kombiniert. Die Studie, die im Rahmen des Early Release Science (ERS) Programms PDRs4All durchgeführt wurde und von der jungen Forscherin Marion Zannese, Doktorandin an der Université Paris-Saclay, geleitet wurde, ist kürzlich in der Zeitschrift
Nature Astronomy veröffentlicht worden.
Wasser ist für das Leben, wie wir es kennen, unerlässlich. Auf der Erde wurde der Großteil des Wassers in unseren Ozeanen bereits lange vor der Entstehung des Sonnensystems in kalten Regionen des interstellaren Raums (-250 °C) gebildet. Ein Teil dieses Wassers könnte jedoch bei höheren Temperaturen (100-500 °C) zerstört und erneut gebildet worden sein, als das Sonnensystem noch eine Scheibe aus Gas und Staub war, die um unsere junge Sonne kreiste.
Um diesen mysteriösen Zyklus des Verschwindens und Wiedererscheinens von Wasser zu verstehen, richteten Astronomen das James Webb Teleskop (JWST) auf „d203-506“, eine protoplanetare Scheibe im Orionnebel, eine Brutstätte für Planetensysteme. Die intensive Ultraviolettstrahlung, die von massiven Sternen erzeugt wird, führt zur Zerstörung und Neubildung von Wasser in d203-506 und macht es zu einem echten interstellaren Labor.
Aber wie kann man die Bildung und Zerstörung von Molekülen, die mehr als tausend Lichtjahre von der Erde entfernt sind, nachweisen?
Dabei hat eine Zusammenarbeit mit Experten in quantenmechanischer Dynamik, die am Modellierungsteil beteiligt waren, die Lösung des Problems ermöglicht.
Bei der Zerstörung von Wasser (H2O) durch Ultraviolettstrahlung wird ein Hydroxyl-Molekül (OH) mit einer rasanten Rotationsbewegung freigesetzt, gefolgt von der Aussendung von Photonen im mittleren Infrarotbereich, die bis zum JWST gelangen. Insgesamt wird geschätzt, dass so jeden Monat das Äquivalent eines irdischen Ozeans im jungen System d203-506 zerstört wird.
Links und in der Mitte: Die junge Scheibe d203-506, eingebettet im Orionnebel, gesehen vom JWST (credits: PDRs4All).
Rechts: Animation/Schema, das zeigt, wie die Bildung und Zerstörung von Wasser durch die JWST-Beobachtungen aufgedeckt werden konnte (Kredit: M.Zannese).
Die Geschichte endet jedoch nicht hier. Durch einen ähnlichen Mechanismus der Emission von Photonen im nahen Infrarotbereich offenbart uns das JWST, dass Hydroxyl aus atomarem Sauerstoff durch die Reaktion O+H2 in großer Menge produziert wird. Dieser ist genau ein Schlüsselschritt in der Wasserbildung, da er anschließend mit H2 reagiert, um durch die Reaktion OH+H2 Wasser zu bilden. Der Kreislauf von Zerstörung / Neubildung ist geschlossen. Ein Teil des Wassers, das unsere Ozeane ausmacht, könnte einen solchen Zyklus durchlaufen haben.
Referenz:
Der Artikel mit dem Titel "OH as a probe of the warm water cycle in planet-forming disks" erscheint in der Zeitschrift Nature Astronomy am 23. Februar 2024.
https://arxiv.org/abs/2312.14056
Quelle: Observatoire de Paris