Ein Bild einer Region parallel zu dem massereichen Protostern IRAS23385 (Stern nicht sichtbar) (Bildnachweis: ESA/Webb, NASA, CSA, W. Rocha et al. (Universität Leiden))
Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop haben Astronomen mehrere der eisigen Bausteine des Lebens in dem Gas und Staub identifiziert, die um zwei junge Sterne oder „Protosterne“ herumwirbeln. Die entdeckten Moleküle reichen von relativ einfachen Molekülen wie Methan bis hin zu komplexen Verbindungen wie Essigsäure und Ethanol.
Komplexe organische Moleküle (COMs) in fester, eisiger Form waren zuvor in der Umgebung von Protosternen vorhergesagt worden, die noch keine Planeten um sich herum hervorgebracht haben. Diese Vorhersage stammte jedoch aus Laborexperimenten auf der Erde. Die Theorie wurde in der Vergangenheit mit Hilfe von Weltraumteleskopen, darunter das James Webb Space Telescope selbst, vorläufig bestätigt. Das JWST hat im Rahmen des JWST Early Release Science Ice Age-Programms verschiedene Eissorten in den dunkelsten und kältesten Regionen einer Molekülwolke gefunden.
Doch dank der Beobachtungen der Wolken um die Protosterne IRAS23385 und IRAS 2A, die mit dem hochempfindlichen Mittelinfrarot-Instrument (MIRI) des JWST im Rahmen des Programms James Webb Observations of Young ProtoStars (JOYS+) aufgenommen wurden, konnte das Vorhandensein dieser Eiswolken nun bestätigt werden.
Von besonderem Interesse für künftige Untersuchungen ist das Material um den massearmen Protostern IRAS 2A, der Ähnlichkeiten mit unserer Sonne aufweisen könnte – als sich die Sonne vor über 4,6 Milliarden Jahren in ihrem Anfangsstadium befand, um genau zu sein. Das bedeutet, dass die gleichen chemischen Eismassen, die um IRAS 2A gefunden wurden, wahrscheinlich auch in den ersten Phasen der Entwicklung unseres Sonnensystems vorhanden waren und schließlich auf die primitive Erde gelangten.
„Diese Entdeckung trägt zu einer der seit langem bestehenden Fragen in der Astrochemie bei“, sagte der Teamleiter und Forscher der Universität Leiden, Will Rocha, in einer Erklärung. „Was ist der Ursprung von COMs im Weltraum? Werden sie in der Gasphase oder im Eis gebildet? Der Nachweis von COMs in Eis deutet darauf hin, dass chemische Reaktionen in der festen Phase auf den Oberflächen kalter Staubkörner komplexe Molekülarten bilden können.“
Das Lichtspektrum des Protosterns IRAS 2A offenbart eine Fülle komplexer, kohlenstoffhaltiger (organischer) Moleküle. (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, L. Hustak (STScI))
Familiäre Moleküle um ferne Sterne
Es ist erwähnenswert, dass COMs technisch gesehen schon früher in der Umgebung von Protosternen entdeckt wurden, allerdings in Form von warmem Gas. Die Forschung geht davon aus, dass diese Gase entstehen, wenn das feste Eis direkt in ein solches Gas umgewandelt wird und somit die flüssige Phase überspringt. Dieser Vorgang wird „Sublimation“ genannt.
Die Entdeckung dieser eisigen COMs könnte jedoch dazu beitragen, den Ursprung noch größerer Moleküle im Weltraum besser zu verstehen.
Außerdem möchten die Wissenschaftler besser verstehen, wie Moleküle wie COMs zu Planeten in den letzten Entwicklungsstadien von Protosternen gelangen, wenn diese Sternenkinder fast genug Masse aus ihrer Umgebung gesammelt haben, um die Fusion von Wasserstoff zu Helium in ihren Kernen auszulösen.
Eine Vermutung ist, dass eisige Materialien leichter durch planetarische Scheiben transportiert werden können als Gase, so dass COMs als feste Materie in die sich bildenden Kometen aufgenommen werden könnten. Diese Kometen könnten dann mit sich bildenden Planeten kollidieren und diese COMs freisetzen, was möglicherweise die Entstehung von Leben, wie wir es kennen, ermöglicht.
„Alle diese Moleküle können Teil von Kometen und Asteroiden und schließlich von neuen Planetensystemen werden, wenn das eisige Material im Laufe der Entwicklung des protostellaren Systems in die planetenbildenden Scheiben transportiert wird“, so der JOYS+ Programmkoordinator und Forscher der Universität Leiden Ewine Dishoeck.
Eine künstlerische Illustration zeigt die „Eisfossil“-Wasserschneelinie, die um den jungen Stern V883 Orionis entdeckt wurde. (Bildnachweis: A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))
Das Team identifizierte erfolgreich Eis aus Acetaldehyd, Ethanol (das wir als Alkohol bezeichnen), Methylformiat und Essigsäure, der Säure, die in Essig vorkommt. Das Team entdeckte auch weniger komplexe Moleküle in Form von Eis, darunter Methan, Schwefeldioxid, Formaldehyd und Ameisensäure, das Molekül, das Bienenstiche schmerzhaft macht.
Der Nachweis von Schwefeldioxid kann für das Verständnis der Entstehung bewohnbarer Planeten um Sterne besonders nützlich sein. Denn die Forschung legt nahe, dass diese Verbindung, die aus Schwefel und Sauerstoff besteht, sowie andere schwefelhaltige Verbindungen eine wichtige Rolle beim Antrieb von Stoffwechselreaktionen auf der Urerde gespielt haben.
Das Team entdeckte auch negative Ionen, d. h. Atome mit einem Überschuss an Elektronen, in den Gas- und Staubwolken um diese Protosterne, die für die Bildung von Salzen wichtig sein könnten, die zur Entwicklung der chemischen Komplexität bei hohen Temperaturen beitragen. Die Entdeckung solcher Ionen deutet darauf hin, dass das Eis um diese Protosterne komplexer zusammengesetzt sein könnte als vermutet, was sie zu wichtigen Zielen für künftige Forschungen macht.
„Wir freuen uns darauf, diese astrochemische Spur in den kommenden Jahren mit weiteren JWST-Daten Schritt für Schritt zu verfolgen“, schloss Dishoeck.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
