Wissenschaftler fragen sich seit langem, wie die komplexen Moleküle, die für das Leben benötigt werden, in der turbulenten und gewalttätigen Umgebung der Sonne in ihrer Jugend entstanden sein könnten.
Eine Familie von Meteoriten, die „Chondrite“ genannt werden, soll das richtige Material für Leben auf die Erde gebracht haben. Die Frage ist jedoch, wie komplexe organische Moleküle, die Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff enthalten, überhaupt in diesen Meteoriten eingeschlossen werden konnten.
Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass der „Hot Spot“ für die Bildung dieser Makromoleküle, der wesentlichen Bausteine des Lebens, sogenannte „Staubfallen“ in wirbelnden Materiescheiben um junge Sterne sein könnten. Hier könnte das intensive Sternenlicht des zentralen jungen Sterns das sich ansammelnde Eis und den Staub bestrahlen, um kohlenstoffhaltige Makromoleküle in nur wenigen Jahrzehnten zu bilden, was relativ schnell ist.
Das würde bedeuten, dass die Makromoleküle bereits vorhanden sein könnten, wenn größere Planetesimale Planeten bilden, oder sie könnten in Asteroiden in Form von kleinen Kieselsteinen eingeschlossen sein. Diese Asteroiden könnten dann durch wiederholte Kollisionen im Weltraum zerbrochen worden sein, wobei kleinere Körper entstanden. Einige davon könnten in Form von Meteoriten auf die Erde gelangt sein.
Eine Illustration von eisigen Partikeln, die komplexe Moleküle beherbergen (Bildnachweis: ESO/L. Calçada)
„Es ist unglaublich, eine neue entscheidende Rolle von Staubfallen bei der Bildung von makromolekularer Materie zu entdecken, die Planeten als Lebensraum benötigen könnten“, sagte Teammitglied Paola Pinilla vom Mullard Space Science Laboratory am University College London gegenüber kosmischeweiten.de. Staubfallen sind günstige Regionen, in denen Staubpartikel zu Kieselsteinen und Planetesimalen heranwachsen können, die die Bausteine von Planeten sind“, erklärt Pinilla, “in diesen Regionen können sehr kleine Partikel durch ständige zerstörerische Kollisionen immer wieder neu gebildet und ergänzt werden. Diese winzigen, mikrometergroßen Körner können leicht in die oberen Schichten der abgeflachten Wolke aus sternbildendem Material gehoben werden, die einen jungen Stern umgibt, eine so genannte protoplanetare Scheibe.
Hier können diese Partikel laut Pinilla die richtige Menge an Strahlung von ihrem Kinderstern erhalten, um diese winzigen Eispartikel effizient in komplexe makromolekulare Materie umzuwandeln.
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Nachbildung der Frühzeit des Sonnensystems im Labor
Sterne wie die Sonne entstehen, wenn sich überdichte Flecken in massiven Wolken aus interstellarem Gas und Staub bilden. Der junge Stern wird zunächst zu einem Protostern und sammelt Materie aus den Überresten seiner Geburtswolke auf, wobei er die Masse anhäuft, die er benötigt, um in seinem Kern die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium auszulösen. Dieser Prozess bestimmt die Lebensdauer eines Sterns in der Hauptreihe, die bei einem Stern von der Masse der Sonne etwa 10 Milliarden Jahre beträgt.
Dieser junge Stern ist von einer protoplanetaren Scheibe umgeben, d. h. von Material, das während seiner Entstehung und seines Aufstiegs zur Hauptreihe nicht verbraucht wurde. Wie der Name schon sagt, bilden sich aus diesem Material und innerhalb der Scheibe Pflanzen, aber auch Kometen und Asteroiden entstehen.
Unser Sonnensystem hat diesen Entstehungsprozess vor etwa 4,5 Milliarden Jahren durchlaufen.
Vorangegangene Forschungen in Labors auf der Erde haben gezeigt, dass sich in diesen protoplanetaren Scheiben komplexe Moleküle aus Hunderten von Atomen bilden können, wenn sie mit Sternenlicht bestrahlt werden. Diese Moleküle bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff und ähneln schwarzem Ruß oder Graphen.
Die protoplanetare Scheibe um den jungen Stern PDS 70 beherbergt mindestens zwei sich bildende Planeten. (Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.)
Staubfallen sind Hochdruckgebiete in protoplanetaren Scheiben, in denen die Bewegung von Molekülen verlangsamt ist und sich Staub- und Eiskörner ansammeln können. Die langsameren Geschwindigkeiten in diesen Bereichen ermöglichen es den Körnern, zu wachsen und Kollisionen, die zu einer Fragmentierung führen, größtenteils zu vermeiden. Das bedeutet, dass sie für die Entstehung von Planeten von entscheidender Bedeutung sein könnten.
Das Team wollte wissen, ob die Strahlung, die das Sternenlicht in diese Gebiete bringt, die Bildung komplexer Makromoleküle verursachen könnte, und testete diese Idee mit Hilfe von Computermodellen. Das Modell stützte sich auf Beobachtungsdaten, die vom Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), einer Anordnung von 66 Radioteleskopen im Norden Chiles, gesammelt wurden.
„Unsere Forschung ist eine einzigartige Kombination aus Astrochemie, Beobachtungen mit ALMA, Laborarbeit, Staubevolution und dem Studium von Meteoriten aus unserem Sonnensystem“, sagte Teammitglied Nienke van der Marel von der Universität Leiden. „Es ist wirklich supercool, dass wir jetzt ein auf Beobachtungen basierendes Modell verwenden können, um zu erklären, wie große Moleküle entstehen können.“
Das Modell hat dem Team gezeigt, dass die Entstehung von Makromolekülen in Staubfängern eine realistische Idee ist.
„Wir hatten natürlich auf dieses Ergebnis gehofft, aber es war eine schöne Überraschung, dass es so offensichtlich war“, sagte Teamleiter Niels Ligterink von der Universität Bern. „Ich hoffe, dass Kollegen der Wirkung von schwerer Strahlung auf komplexe chemische Prozesse mehr Aufmerksamkeit schenken werden. Die meisten Forscher konzentrieren sich auf relativ kleine organische Moleküle von einigen Dutzend Atomen Größe, während Chondriten meist große Makromoleküle enthalten.“
„Wir freuen uns darauf, diese Modelle in naher Zukunft mit weiteren Laborexperimenten und Beobachtungen mit leistungsstarken Teleskopen wie dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) zu testen“, so Pinilla abschließend.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Dienstag (30. Juli) in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
