Bisher konnten wir jedoch nie die Verteilung von Wasser in einer stabilen und kalten Scheibe – dem Typ von Scheibe, der die günstigsten Bedingungen für die Planetenbildung um die Sterne bietet – kartieren. Diese neuen Entdeckungen wurden durch das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ermöglicht, an dem das Europäische Südsternwarte (ESO) als Partner beteiligt ist.
Wasser in der Scheibe von HL Tauri
"Ich hätte nie gedacht, dass wir ein Bild von Ozeanen aus Wasserdampf genau in der Region bekommen könnten, in der ein Planet sich bilden könnte", sagt Stefano Facchini, Astronom an der Universität Mailand (Italien), der die heute in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlichte Studie leitete. Die Beobachtungen zeigen die Anwesenheit von mindestens dreimal mehr Wasser als in allen Ozeanen der Erde in der inneren Scheibe des sonnenähnlichen jungen Sterns HL Tauri, der 450 Lichtjahre von der Erde entfernt in der Konstellation des Stiers liegt.
"Es ist wirklich bemerkenswert, dass wir nicht nur in der Lage sind zu detektieren, sondern auch detaillierte Bilder zu machen und den Wasserdampf in einer Entfernung von 450 Lichtjahren von uns räumlich aufzulösen", fügt Leonardo Testi, Astronom an der Universität Bologna (Italien) und Mitautor der Studie, hinzu. Die räumlich aufgelösten Beobachtungen mit ALMA ermöglichen es den Astronomen, die Verteilung von Wasser in verschiedenen Regionen der Scheibe zu bestimmen. "Teil einer so wichtigen Entdeckung in der emblematischen Scheibe von HL Tauri zu sein, übertraf meine Erwartungen für meine erste Forschungserfahrung in der Astronomie", fügt Mathieu Vander Donckt von der Universität Lüttich in Belgien hinzu, der ein Masterstudent war, als er an dieser Forschung teilnahm.
Eine bedeutende Menge Wasser wurde in der Region gefunden, wo sich eine bekannte Furche in der Scheibe von HL Tauri befindet. Radiale Furchen werden in gas- und staubreichen Scheiben von jungen Planeten in der Umlaufbahn, die Materie sammeln und wachsen, gegraben. "Unsere neusten Bilder zeigen eine bedeutende Menge an Wasserdampf in verschiedenen Abständen vom Stern, einschließlich eines Raums, wo sich derzeit potenziell ein Planet bilden könnte", erklärt Stefano Facchini. Dies deutet darauf hin, dass dieser Wasserdampf die chemische Zusammensetzung der Planeten, die sich in diesen Regionen bilden, beeinflussen könnte.
Wasser mit einem erdgebundenen Teleskop zu beobachten, ist keine leichte Aufgabe, denn der reichliche Wasserdampf in der Erdatmosphäre verschlechtert die astronomischen Signale. ALMA, betrieben von der ESO mit ihren internationalen Partnern, ist ein Netzwerk von Teleskopen, das sich in der chilenischen Atacama-Wüste auf etwa 5.000 Metern Höhe befindet. Es wurde in einer hohen und trockenen Umgebung gebaut, speziell um diese Verschlechterung zu minimieren und außergewöhnliche Beobachtungsbedingungen zu bieten. "Bis heute ist ALMA die einzige Einrichtung, die in der Lage ist, die Anwesenheit von Wasser in einer kalten Planetenbildungs-Scheibe räumlich aufzulösen", erklärt Co-Autor Wouter Vlemmings, Professor an der Technischen Universität Chalmers in Schweden (1).
"Es ist wirklich aufregend, direkt auf einem Foto zu sehen, wie Wassermoleküle aus eisigen Staubpartikeln freigesetzt werden", sagt Elizabeth Humphreys, Astronomin bei der ESO, die ebenfalls an der Studie beteiligt war. Die Staubkörner, die eine Scheibe bilden, sind die Keimzellen der Planetenbildung, denn sie stoßen zusammen und verklumpen, um immer größere Körper in der Umlaufbahn um den Stern zu bilden.
Astronomen glauben, dass dort, wo es kalt genug ist, damit Wasser auf Staubpartikeln gefrieren kann, diese effizienter verklumpen – ein idealer Ort für die Planetenbildung. "Unsere Ergebnisse zeigen, wie die Anwesenheit von Wasser die Entwicklung eines Planetensystems beeinflussen kann, so wie es vor 4,5 Milliarden Jahren in unserem eigenen Sonnensystem der Fall war", fügt Stefano Facchini hinzu.
Dank der Verbesserungen an ALMA und dem ELT (Extremely Large Telescope) der ESO, das im Laufe des Jahrzehnts in Betrieb genommen wird, werden die Planetenbildung und die Rolle des Wassers in diesem Prozess klarer denn je sein. Insbesondere METIS (für Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph) wird den Astronomen unübertroffene Ansichten der inneren Regionen von Planetenbildungs-Scheiben bieten, wo sich Erde-ähnliche Planeten bilden.
Hinweis:
(1) Die neuen Beobachtungen verwendeten ALMA's Band 5 und Band 7 Detektoren. Band 5 wurde von Chalmers mit Beteiligung der ESO entwickelt; es ermöglichte ALMA, sich auf einen neuen Frequenzbereich auszudehnen, der speziell für die Erkennung und Bildgebung von Wasser im lokalen Universum bestimmt ist. In dieser Studie beobachtete das Team drei Wasserspektrallinien in beiden Frequenzbereichen des Empfängers, um Gas bei unterschiedlichen Temperaturen in der Scheibe zu kartieren.