Eine künstlerische Darstellung eines Braunen Zwergs wie WISE-J1828 (Bildnachweis: NASA/ESA/JPL)
Dank der Entdeckung von Ammoniak-„Isotopologen“ durch das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST), d. h. Molekülen, die dieselben Elemente, aber mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen enthalten, können Astronomen nun herausfinden, wie Gasriesenplaneten entstehen.
Der Kern eines Atoms besteht aus einem Bündel von Protonen und Neutronen, und während sich die Anzahl der Protonen innerhalb eines Elements nicht ändert – Kohlenstoffatome enthalten beispielsweise immer sechs Protonen und Stickstoffatome haben immer sieben Protonen – kann die Anzahl der Neutronen variieren. Wenn eine solche Abweichung auftritt, wird ein Atom zu einem Isotop. Wenn Isotope Teil eines größeren Moleküls sind, nennt man sie Isotopologe.
Das Kohlenstoff-12-Isotop (12C) enthält beispielsweise sechs Protonen und sechs Neutronen, das Kohlenstoff-13-Isotop (13C) ist jedoch schwerer und enthält sechs Protonen und sieben Neutronen. Dieses Verhältnis von 12C zu 13C wird häufig verwendet, um Rückschlüsse auf die Geschichte von Planetensystemen zu ziehen, da die verschiedenen Isotope leicht unterschiedliche Eigenschaften und einen unterschiedlichen Ursprung haben.
Während in den Atmosphären der Planeten des Sonnensystems viele verschiedene Isotope nachgewiesen wurden, sind aufgrund der großen Entfernungen zu den Exoplaneten bisher nur 12C und 13C in den Atmosphären der Exoplaneten nachweisbar.
Das ändert sich nun jedoch dank des JWST und eines Teams unter der Leitung der Astronomen David Barrado, Paul Mollière und Polychronis Patapis vom Centro de Astrobiología in Madrid.
Mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) des JWST konnten sie Ammoniak-Isotopologe in der Atmosphäre des kalten Braunen Zwerges WISE-J1828 nachweisen, der sich in 32,5 Lichtjahren Entfernung in Richtung des Sommersternbilds Leier (Lyra) befindet. Der Braune Zwerg ist so kühl, dass er eine geschätzte Temperatur von nur 100 Grad Celsius (212 Grad Fahrenheit) hat.
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Zur Klarstellung: Ein Brauner Zwerg ist technisch gesehen kein Planet, sondern ein „gescheiterter Stern“ oder ein Objekt, das nicht massiv genug ist, um die Kernfusionsreaktionen des Wasserstoffs in seinem Kern zu zünden. Braune Zwerge sind jedoch ein guter Stellvertreter für einige Riesenplaneten.
MIRIs Spektrum von WISE-J1828 zeigte Wasserdampf, Methan und Ammoniak. Alle drei sind Hauptbestandteile der Atmosphären von Gasriesen und Braunen Zwergen, aber was hier ungewöhnlich war, war ein Knick in den Spektrallinien, der auf zwei verschiedene Isotopologe von Ammoniak hinweist. Ammoniak ist ein Molekül, das aus einem Stickstoffatom und drei Wasserstoffatomen besteht und daher die chemische Formel NH3 hat. In einem Isotopolog hat das Stickstoffatom im Ammoniak sieben Protonen und sieben Neutronen, daher wird dieses Ammoniak-Isotopolog 14NH3 genannt. Ein anderes Isotopolog enthält sieben Protonen und acht Neutronen und wird 15NH3 genannt.
Die JWST-Beobachtungen ergaben ein Verhältnis von 670 zu 1 von 14NH3 zu 15NH3. Mit anderen Worten: Für jedes 15N-Stickstoffisotop gibt es 670 14N-Isotope in der Atmosphäre von WISE-J1828.
In unserem Sonnensystem ist dieses Verhältnis viel geringer. Auf der Erde zum Beispiel ist das Verhältnis nur 272 zu 1. Es wird angenommen, dass das zusätzliche 15N auf unserem Planeten von Kometen stammt, die von Natur aus höhere Konzentrationen von 15N aufweisen. Es wird angenommen, dass sich die Planeten des Sonnensystems, einschließlich der Gasriesen wie Jupiter, alle „von unten nach oben“ durch den Prozess der Akkretion kleinerer Körper wie Kometen gebildet haben. Wir würden erwarten, dass ein Objekt, das sich auf dem umgekehrten Weg, von oben nach unten, durch den direkten Gravitationskollaps einer molekularen Gaswolke gebildet hat, diesen Akkretionsprozess nicht durchlaufen hat und daher weniger 15N enthält.
Braune Zwerge bilden sich wie Sterne auf diese Weise von oben nach unten, und die MIRI-Messungen der Ammoniak-Isotopologe bestätigen dies. Es wird auch vermutet, dass sich Jupiter und Saturn von unten nach oben gebildet haben, während sich einige riesige Gasriesen, insbesondere solche, die weit von ihrem Mutterstern entfernt sind, von oben nach unten gebildet haben könnten. Wenn ein Brauner Zwerg ein gescheiterter Stern ist, wären diese Riesenplaneten eher gescheiterte Braune Zwerge.
Der Trick besteht darin, zu beweisen, dass sich ein Planet auf diese Weise gebildet hat. WISE-J1828 hat nun im Prinzip bewiesen, dass Ammoniak-Isotopologe, die als Indikator für den Top-Down-Bildungsprozess dienen, mit dem JWST identifiziert werden können. Der nächste Schritt ist daher, das Weltraumteleskop auf einige riesige Exoplaneten zu richten, um zu sehen, ob sein MIRI-Instrument das Verhältnis ihrer Ammoniak-Isotopologe identifizieren und schließlich eines der größten Rätsel der Planetenbildung lösen kann: Wie werden Riesenplaneten wirklich geboren?
Die Forschungsarbeit wurde letztes Jahr in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
