Abbildung 1: Künstlerische Darstellung einer protoplanetaren Scheibe um einen sehr massearmen Stern. Sie zeigt eine Auswahl von Kohlenwasserstoffmolekülen (Methan, CH4; Ethan, C2H6; Ethen, C2H2; Diacetylen, C4H2; Propin, C3H4; Benzol, C6H6), die in der Scheibe um ISO-ChaI 147 nachgewiesen wurden.
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / MPIA
Diese Entdeckungen haben Auswirkungen auf die potenzielle Zusammensetzung der Planeten, die sich um diesen Stern bilden. Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift Science am Donnerstag, den 6. Juni, wurden im Rahmen des garantierten Zeitprogramms des MIRI-Instruments erzielt, das von einem Konsortium von Laboratorien in Europa und den USA entwickelt wurde.
Die Untersuchung protoplanetarer Scheiben
Gesteinsplaneten sind sehr häufig um Sterne mit sehr geringer Masse (weniger als 0,3 Sonnenmassen), wie zum Beispiel im bekannten TRAPPIST-1-Planetensystem.
Über die Chemie dieser Welten, die der Erde ähnlich oder sehr unterschiedlich sein können, ist jedoch wenig bekannt. Durch die Untersuchung der Scheiben, aus denen sich diese Planeten bilden, sogenannte protoplanetare Scheiben, hoffen Astronomen, den Entstehungsprozess von Planeten und deren Zusammensetzung besser zu verstehen.
Abbildung 2: Künstlerische Darstellung eines jungen Sterns, umgeben von einer Scheibe aus Gas und Staub.
Credit: NASA/JPL-Caltech
Die protoplanetaren Scheiben um sehr massearme Sterne (siehe Abbildung 2) sind schwer zu studieren, da sie kleiner und weniger hell sind als die Scheiben um massereichere Sterne. Das Programm namens MIRI Mid-Infrared Disk Survey (MINDS) zielt darauf ab, die einzigartigen Fähigkeiten des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) zu nutzen, um die Eigenschaften der Scheiben mit den Eigenschaften von Exoplaneten zu verknüpfen.
Abbildung 3: Dieses Diagramm stellt das Spektrum der protoplanetaren Scheibe um den Stern ISO-ChaI-147 dar, enthüllt durch das MIRI-Instrument (Mid-Infrared Instrument) des James-Webb-Weltraumteleskops. Das Spektrum zeigt die bisher reichhaltigste Chemie von Kohlenwasserstoffen in einer protoplanetaren Scheibe mit 13 Kohlenstoffmolekülen, darunter der erste extrasonale Nachweis von Ethan (C2H6) und der erste Nachweis von Ethen (C2H4), Propin (C3H4) und Methylradikal (CH3) in einer Scheibe.
Credits: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Ein Cocktail von Molekülen um den jungen Stern ISO-ChaI-147 entdeckt
In einer neuen Studie untersuchte das Team die Region um einen sehr massearmen Stern, bekannt als ISO-ChaI-147, ein 1 bis 2 Millionen Jahre alter Stern mit nur 0,11 Sonnenmassen.
Das vom JWST-MIRI-Instrument enthüllte Spektrum zeigt die bisher reichhaltigste Chemie von Kohlenwasserstoffen in einer protoplanetaren Scheibe – insgesamt 13 verschiedene Kohlenstoffmoleküle (siehe Abbildung 3). Das Team detektierte erstmals Ethan (C2H6) außerhalb unseres Sonnensystems sowie Ethen (C2H4), Propin (C3H4) und das Methylenradikal CH3.
"Es ist unglaublich, dass wir die Menge an Molekülen, die uns auf der Erde gut bekannt sind, wie Benzol, in einem Objekt in mehr als 600 Lichtjahren Entfernung nachweisen und quantifizieren können", erklärt Agnès Perrin, CNRS-Forscherin am Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD - CNRS/ENS-PSL/IPP/Sorbonne Université).
"Im letzten Jahr haben wir bereits eine sehr große Menge an Acetylen (C2H2), Diacetylen (C4H2) und Benzol (C6H6) in einer Scheibe um einen ähnlichen Stern entdeckt. Hier wurde ein noch reichhaltigerer Cocktail an Molekülen entdeckt, was bestätigt, dass die Scheiben um diesen Sterntyp wahre Kohlenwasserstofffabriken sind", fügt Benoît Tabone, CNRS-Forscher am Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS - Université Paris-Saclay/CNRS), hinzu.
Eine genauere Sicht auf die Scheiben um Sterne mit sehr geringer Masse?
Diese Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf die Chemie der inneren Scheibe und der dort entstehenden Planeten. Da das JWST enthüllt hat, dass das Gas in der Scheibe reich an Kohlenstoff ist, ist es wahrscheinlich, dass wenig Kohlenstoff in den festen Materialien verbleibt, aus denen Planeten entstehen würden. Folglich wären die Gesteinsplaneten, die sich bilden könnten, letztlich kohlenstoffarm.
Video des Spektrums der protoplanetaren Scheibe des Sterns ISO-ChaI-147, aufgenommen vom MIRI-Instrument des JWST-Teleskops, das die typischen Bewegungen der Moleküle zeigt, die für die Absorption im Spektrum verantwortlich sind.
Credits: MPIA
Diese Arbeiten unterstreichen die Notwendigkeit einer engen Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Disziplinen. Das Team stellt fest, dass diese Ergebnisse und die begleitenden Daten zu anderen Bereichen wie der theoretischen Physik, Chemie und Astrobiologie beitragen können, um die Spektren zu interpretieren und neue spektrale Signaturen von Molekülen in diesem Wellenlängenbereich zu untersuchen.