Erstaunliche Entdeckung zeigt, dass Wasser in unserem Sonnensystem möglicherweise Milliarden von Jahren vor der Sonne entstanden ist

V883 Ori ist ein bemerkenswerter Protostern, dessen Temperatur gerade hoch genug ist, um Wasser in seiner zirkumstellaren Scheibe in Gas umzuwandeln. Dieses Gas kann von Radioastronomen untersucht werden, um den Ursprung des Wassers zu verfolgen. Kürzlich haben ALMA-Beobachtungen bestätigt, dass das Wasser in unserem eigenen Sonnensystem dieselbe Quelle haben könnte wie das Wasser, das in Scheiben gefunden wird, die Protosterne in anderen Teilen des Universums umgeben – dem interstellaren Medium. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

ALMA verfolgt die Geschichte des Wassers in der Planetenentstehung zurück zum interstellaren Medium

Beobachtungen von Wasser in der Scheibe, die sich um den Protostern V883 Ori bildet, haben Hinweise auf die Entstehung von Kometen und Planetesimalen in unserem eigenen Sonnensystem gegeben.

Wissenschaftler, die einen nahe gelegenen Protostern untersuchten, haben das Vorhandensein von Wasser in seiner zirkumstellaren Scheibe entdeckt. Die neuen Beobachtungen, die mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gemacht wurden, markieren den ersten Nachweis, dass Wasser in eine protoplanetare Scheibe vererbt wird, ohne dass sich dessen Zusammensetzung wesentlich ändert. Diese Ergebnisse deuten weiter darauf hin, dass das Wasser in unserem Sonnensystem Milliarden von Jahren vor der Sonne entstanden ist. Die neuen Beobachtungen wurden am 8. März in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Diese künstlerische Darstellung zeigt die planetenbildende Scheibe um den Stern V883 Orionis. Im äußersten Teil der Scheibe ist Wasser als Eis ausgefroren und daher nicht leicht zu erkennen. Ein Energieausbruch des Sterns erhitzt die innere Scheibe auf eine Temperatur, bei der Wasser gasförmig ist, sodass Astronomen sie nachweisen können.
Das eingefügte Bild zeigt die zwei Arten von Wassermolekülen, die in dieser Scheibe untersucht wurden: normales Wasser mit einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen und eine schwerere Version, bei der ein Wasserstoffatom durch Deuterium, ein schweres Wasserstoffisotop, ersetzt ist.
Bildnachweis: ESO/L. Calçada

V883 Orionis ist ein Protostern, der sich etwa 1.305 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Orion befindet. Die neuen Beobachtungen dieses Protosterns haben Wissenschaftlern geholfen, eine wahrscheinliche Verbindung zwischen dem Wasser im interstellaren Medium und dem Wasser in unserem Sonnensystem zu finden, indem sie bestätigten, dass sie eine ähnliche Zusammensetzung haben.

V883 Ori ist ein einzigartiger Protostern, dessen Temperatur gerade so hoch ist, dass sich das Wasser in seiner zirkumstellaren Scheibe in Gas verwandelt hat, was es Radioastronomen ermöglicht, den Ursprung des Wassers zu verfolgen. Neue Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) haben die erste Bestätigung geliefert, dass das Wasser in unserem Sonnensystem von der gleichen Stelle stammen könnte wie das Wasser in den Scheiben, die Protosterne anderswo im Universum umgeben: dem interstellaren Medium. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

„Wir können uns den Weg des Wassers durch das Universum als eine Spur vorstellen. Wir wissen, wie die Endpunkte aussehen, nämlich Wasser auf Planeten und Kometen, aber wir wollten diese Spur bis zu den Ursprüngen des Wassers zurückverfolgen“, sagte John Tobin, Astronom am National Radio Astronomy Observatory (NRAO) der National Science Foundation. und der Hauptautor des neuen Papiers. „Bisher konnten wir die Erde mit Kometen und Protosterne mit dem interstellaren Medium verbinden, aber wir konnten Protosterne nicht mit Kometen verbinden. V883 Ori hat das geändert und bewiesen, dass die Wassermoleküle in diesem System und in unserem Sonnensystem ein ähnliches Verhältnis von Deuterium und Wasserstoff aufweisen.“

Verwenden[{” attribute=””>ALMA, astronomers have detected the chemical signature of gaseous water in the planet-forming disc V883 Orionis. This acts as a timestamp for the water’s formation, allowing us to trace its journey. Credit: ESO

Observing water in the circumstellar disks around protostars is difficult because in most systems water is present in the form of ice. When scientists observe protostars they’re looking for the water snow line or ice line, which is the place where water transitions from predominantly ice to gas, which radio astronomy can observe in detail. “If the snow line is located too close to the star, there isn’t enough gaseous water to be easily detectable and the dusty disk may block out a lot of the water emission. But if the snow line is located further from the star, there is sufficient gaseous water to be detectable, and that’s the case with V883 Ori,” said Tobin, who added that the unique state of the protostar is what made this project possible.

V883 Ori’s disk is quite massive and is just hot enough that the water in it has turned from ice to gas. That makes this protostar an ideal target for studying the growth and evolution of solar systems at radio wavelengths.

Meistens liegt das Wasser in den zirkumstellaren Scheiben, die Protosterne umgeben, in Form von Eis vor, das sich manchmal über große Entfernungen vom Stern erstreckt. Im Fall von V883 Ori erstreckt sich die Schneegrenze 80 AE vom Stern; das ist die 80-fache Entfernung zwischen Erde und Sonne, wie in dieser Animation gezeigt. Aber die Temperatur bei V883 Ori ist gerade so hoch, dass sich ein Großteil des Eises in seiner Scheibe in Gas verwandelt hat, was es Radioastronomen ermöglicht, dieses Wasser im Detail zu untersuchen. Neue Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) haben gezeigt, dass das Wasser in der Scheibe von V883 Ori dieselbe grundlegende Zusammensetzung hat wie das Wasser auf Objekten in unserem Sonnensystem. Dies deutet darauf hin, dass sich das Wasser in unserem eigenen Sonnensystem Milliarden von Jahren vor der Sonne im interstellaren Medium gebildet hat. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin, B.Saxton (NRAO/AUI/NSF)

„Diese Beobachtung unterstreicht die hervorragenden Fähigkeiten des ALMA-Instruments, Astronomen dabei zu helfen, etwas zu studieren, das für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung ist: Wasser“, sagte Joe Pesce, NSF-Programmbeauftragter für ALMA. „Ein Verständnis der für uns auf der Erde wichtigen zugrunde liegenden Prozesse, die in weiter entfernten Regionen der Galaxie zu sehen sind, fördert auch unser Wissen darüber, wie die Natur im Allgemeinen funktioniert und welche Prozesse ablaufen mussten, damit sich unser Sonnensystem zu dem entwickeln konnte, was wir kennen Heute.”

Um das Wasser in der protoplanetaren Scheibe von V883 Ori mit dem in unserem eigenen Sonnensystem zu verbinden, maß das Team seine Zusammensetzung mit den hochempfindlichen Empfängern Band 5 (1,6 mm) und Band 6 (1,3 mm) von ALMA und stellte fest, dass es zwischen den einzelnen Phasen relativ unverändert bleibt der Entstehung des Sonnensystems: Protostern, protoplanetare Scheibe und Kometen. „Das bedeutet, dass das Wasser in unserem Sonnensystem lange vor der Entstehung der Sonne, Planeten und Kometen entstanden ist. Wir wussten bereits, dass es im interstellaren Medium viel Wassereis gibt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dieses Wasser während seiner Entstehung direkt in das Sonnensystem eingebaut wurde“, sagte Merel van ‘t ‘Hoff, Astronomin an der University of Michigan und Co-Autorin der Veröffentlichung. „Das ist aufregend, da es darauf hindeutet, dass auch andere Planetensysteme große Mengen Wasser erhalten haben sollten.“

Auf der Suche nach den Ursprüngen des Wassers in unserem Sonnensystem haben Wissenschaftler V883 Orionis angepeilt, einen einzigartigen Protostern, der 1.305 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Im Gegensatz zu anderen Protosternen ist die zirkumstellare Scheibe, die V883 Ori umgibt, gerade heiß genug, dass sich das Wasser darin von Eis in Gas verwandelt hat, was es Wissenschaftlern ermöglicht, ihre Zusammensetzung mit Radioteleskopen wie denen am Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ( Alma). Radiobeobachtungen des Protosterns zeigten Wasser (orange), ein Staubkontinuum (grün) und molekulares Gas (blau), was darauf hindeutet, dass das Wasser auf diesem Protostern dem Wasser auf Objekten in unserem eigenen Sonnensystem extrem ähnlich ist und ähnliches haben könnte Herkunft. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Die Klärung der Rolle des Wassers bei der Entwicklung von Kometen und Planetesimalen ist entscheidend, um zu verstehen, wie sich unser eigenes Sonnensystem entwickelt hat. Obwohl angenommen wird, dass sich die Sonne in einem dichten Sternhaufen gebildet hat und V883 Ori relativ isoliert ist und keine Sterne in der Nähe hat, haben die beiden eine entscheidende Gemeinsamkeit: Sie wurden beide in riesigen Molekülwolken gebildet.

„Es ist bekannt, dass sich der Großteil des Wassers im interstellaren Medium als Eis auf der Oberfläche winziger Staubkörner in den Wolken bildet. Wenn diese Wolken unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenbrechen und junge Sterne bilden, landet das Wasser in den sie umgebenden Scheiben. Schließlich entwickeln sich die Scheiben und die eisigen Staubkörner koagulieren, um ein neues Sonnensystem mit Planeten und Kometen zu bilden“, sagte Margot Leemker, Astronomin an der Universität Leiden und Mitautorin der Veröffentlichung. „Wir haben gezeigt, dass Wasser, das in den Wolken entsteht, dieser Spur nahezu unverändert folgt. Wenn wir uns also das Wasser in der V883-Ori-Scheibe ansehen, blicken wir im Wesentlichen in die Vergangenheit und sehen, wie unser eigenes Sonnensystem aussah, als es noch viel jünger war.“

V883 Orionis ist ein Protostern, der sich etwa 1.305 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Orion befindet. Bildnachweis: ESO/IAU und Sky & Telescope

Tobin fügte hinzu: „Bisher war die Wasserkette in der Entwicklung unseres Sonnensystems unterbrochen. V883 Ori ist in diesem Fall das fehlende Glied, und wir haben jetzt eine ununterbrochene Kette in der Wasserlinie von Kometen und Protosternen bis zum interstellaren Medium.“

Weitere Informationen zu dieser Entdeckung finden Sie unter Wasser auf der Erde ist sogar älter als unsere Sonne.

Referenz: „Deuterium-enriched water ties planet-forming disks to comets and protostars“ von John J. Tobin, Merel LR van ‘t Hoff, Margot Leemker, Ewine F. van Dishoeck, Teresa Paneque-Carreño, Kenji Furuya, Daniel Harsono, Magnus V. Persson, L. Ilsedore Cleeves, Patrick D. Sheehan und Lucas Cieza, 8. März 2023, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-022-05676-z