Prästellares Eis in Molekülwolke entdeckt

Ein internationales Team hat mithilfe des James-Webb-Teleskops (JWST) unter­schiedliches Eis in den dunkelsten und kältesten Regionen einer Molekülwolke entdeckt, die je untersucht wurden. Dieses Ergebnis ermöglicht es den Forschenden, einfache Moleküle zu analysieren, die in zukünftigen Exoplaneten enthalten sein könnten, und eröffnet gleichzeitig ein neues Fenster zum Ursprung kom­plexerer Moleküle, die der erste Schritt bei der Entstehung der Bausteine des Lebens sind.

Für die Entstehung eines bewohnbaren Planeten sind gefrorene Moleküle von entscheidender Bedeutung, da sie mehrere wichtige leichte Elemente liefern: Kohlen­stoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel (CHONS). Diese Elemente sind zentrale Bestandteile der Planeten­atmosphären und auch von Molekülen wie Zucker, Alkoholen und einfachen Aminosäuren. Auf unsere Erde gelangten diese Elemente vermutlich durch Einschläge von eisigen Kometen oder Asteroiden. Außerdem glauben die Astronomen und Astronominnen, dass solche Eiskristalle höchst­wahrscheinlich bereits in der dunklen Wolke aus kaltem Staub und Gas vorhanden waren, aus der schließlich unser Sonnensystem entstand. In derartigen Regionen des Alls liefern eisige Staubkörner einzig­artige Bedingungen für chemische Reaktionen zwischen Atomen und Molekülen, aus denen sich ganz gewöhnliche Stoffe wie Wasser bilden können. Detaillierte Labor­studien haben außerdem gezeigt, dass unter diesen eisigen Bedingungen auch einfache präbiotische Moleküle entstehen können.

Nun gelang eine detaillierte Bestands­aufnahme der kältesten bisher gemessenen Eismassen in einer Molekülwolke. Das Team suchte gezielt nach Eis in einer besonders kalten, dichten und schwer zu unter­suchenden Region der Molekülwolke Chamäleon I, einer etwa 600 Lichtjahre von der Erde entfernten Gegend, in der sich Dutzende von jungen Sternen bilden. Neben einfachen Eismolekülen wie Wasser konnte das Team gefrorene Formen einer breiten Palette von Molekülen identi­fizieren, von Kohlendioxid, Ammoniak und Methan bis hin zum komplexen organischen Molekül Methanol. Dies ist die bisher umfassendste Bestands­aufnahme der eisigen Bestandteile, die für die Bildung künftiger Generationen von Sternen und Planeten zur Verfügung stehen, bevor sie bei der Entstehung junger Sterne aufgeheizt werden. Die Eiskörner wachsen, wenn sie in die proto­planetaren Scheiben aus Gas und Staub um diese jungen Sterne stürzen. Die Wissen­schaftler können somit alle möglichen Eismoleküle untersuchen, die in zukünftige Exoplaneten eingebaut werden können.

„Unsere Ergebnisse geben Einblicke in die Phase der ersten, dunklen Chemie, während der sich auf den interstellaren Staubkörnern Eis bildet, welche dann zu den zentimetergroßen Brocken heranwachsen, aus denen sich in den Scheiben schließlich die Planeten bilden“, sagte Melissa McClure, Astronomin am Leiden Observatory und Leiterin des Beobachtungs­programms. Die Beobachtungen wurden mit drei Instrumenten am JWST durchgeführt, darunter MIRI, das gemeinsam von der Nasa, der Esa und einem europäischen Konsortium entwickelt wurde. Die Leidener Gruppe mit Ewine van Dishoeck hat auch Eisspektren im Labor gemessen, um sie mit den Beobachtungs­daten zu vergleichen und so die verschiedenen Eissorten zu identi­fizieren. „Die Qualität und Empfind­lichkeit dieser frühen JWST-Daten übertrifft sogar noch unsere Erwartungen: Wir sind in der Lage, Quellen zu beobachten, die tausendmal schwächer sind, als es bisher möglich war. Wir finden sogar die 13-C-Version von CO₂-Eis“, betont van Dishoeck, die auch Mitglied des Max-Planck-Instituts für extra­terrestrische Physik (MPE) ist.

„Es ist äußerst spannend, die Zusammen­setzung der Eismäntel um Staub­körnchen in den dunklen und dichten Regionen interstellarer Wolken zu enthüllen“, sagt Paola Caselli, Direktorin des Zentrums für Astro­chemische Studien am MPE. Diese Regionen sind die Vorläufer von Planeten­systemen wie dem unseren. Zumindest ein Teil dieses Eises, einschließlich der komplexen organischen Moleküle, die Vorläufer prä­biotischer Spezies sind, wird in zukünftige Planetensysteme eingebaut. „Wir können nun – dank JWST und IceAge – Beobachtungen von inter­stellarem Eis quantitativ mit unseren detail­lierten chemischen Modellen für Gas und Staub vergleichen. Die Oberflächenchemie ist am wenigsten verstanden, daher sind diese Daten so wertvoll“, sagt Caselli.

Diese Forschung ist Teil des „Ice Age“-Projekts, eines der dreizehn „Early Release“-Wissenschafts­programme des James-Webb-Teleskops. Diese Beobachtungen sollen die Möglichkeiten mit dem JWST aufzeigen und der astro­nomischen Gemeinschaft demonstrieren, wie man das Beste aus den Instrumenten herausholen kann. Das IceAge-Team hat bereits weitere Beobach­tungen geplant und hofft, den Weg des Eises von seiner Entstehung bis zur Bildung von Eiskometen nachvollziehen zu können.

MPE / U. Bern / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. K. McClure et al.: An Ice Age JWST inventory of dense molecular cloud ices, Nat. Astron., online 23. Januar 2023; DOI: 10.1038/s41550-022-01875-w
• IceAge: Chemical Evolution of Ices during Star Formation, James-Webb-Teleskops (JWST), Space Telescope Science Institute, Baltimore