Eine erstaunliche Entdeckung enthüllt den Ursprung des Wassers in unserem Sonnensystem Milliarden von Jahren vor der Sonne

ALMA verfolgt die Geschichte des Wassers bei der Planetenentstehung bis ins interstellare Medium zurück

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

Wissenschaftler, die einen nahe gelegenen Protostern untersuchten, haben Wasser in seiner Umfangsscheibe entdeckt. Die neuen Beobachtungen, die mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gemacht wurden, stellen den ersten Nachweis von Wasser dar, das in einer protoplanetaren Scheibe vererbbar ist, ohne signifikante Änderungen in seiner Zusammensetzung. Diese Ergebnisse weisen auch darauf hin, dass 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. Das Wasser auf der Außenseite der Scheibe ist als Eis gefroren und daher nicht leicht zu erkennen. Ein Energiestoß des Sterns erhitzt die innere Scheibe auf eine Temperatur, bei der Wasser gasförmig ist, sodass Astronomen es nachweisen können.
Das eingefügte Bild zeigt die zwei Arten von Wassermolekülen, die in dieser Scheibe untersucht wurden: einfaches Wasser mit einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen und eine schwerere Version, bei der das Wasserstoffatom durch Deuterium, ein schweres Wasserstoffisotop, ersetzt ist.
Bildnachweis: ESO/L. Calzada

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

V883 Ori ist ein einzigartiger Protostern, dessen Temperatur so hoch ist, dass sich das Wasser in seiner umgebenden 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) lieferten die erste Bestätigung, dass Wasser in unserem Sonnensystem womöglich von derselben Stelle stammt wie Wasser in den Scheiben, die Protosterne an anderer Stelle 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 einen Weg vorstellen. Wir wissen, wie die Endpunkte aussehen, nämlich Wasser auf Planeten und Kometen, aber wir wollten diesen Weg bis zu den Ursprüngen des Wassers zurückverfolgen.“, Hauptautor des neuen Papier.“ Bisher konnten wir die Erde mit Kometen und Protosterne mit dem interstellaren Medium in Verbindung bringen, aber wir konnten Protosterne nicht mit Kometen in Verbindung bringen. V883 Ori hat das geändert und bewiesen, dass Wassermoleküle in diesem System und in unserem Sonnensystem einen ähnlichen Anteil an Deuterium und Wasserstoff haben. „

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 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 Einheiten vom Stern entfernt; Dies ist die 80-fache Entfernung zwischen Erde und Sonne, wie in dieser Animation gezeigt. Aber die Temperatur in V883 Ori ist heiß genug, 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) zeigen, dass Wasser in der Scheibe von V883 Ori dieselbe grundlegende Zusammensetzung hat wie Wasser auf Objekten in unserem Sonnensystem. Dies weist darauf hin, dass Wasser in unserem Sonnensystem Milliarden von Jahren vor der Sonne im interstellaren Medium entstanden ist. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin, P. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

„Diese Beobachtung unterstreicht die bemerkenswerten Fähigkeiten des ALMA-Instruments, Astronomen dabei zu helfen, etwas zu studieren, das für das Leben auf der Erde so wichtig ist: Wasser“, sagte Joe Pesci, Programmbeauftragter der National Science Foundation bei ALMA. „Das Verständnis der grundlegenden Prozesse, die für uns auf der Erde wichtig sind und die weit über die Galaxie hinaus sichtbar sind, informiert auch unser Wissen darüber, wie die Natur im Allgemeinen funktioniert, und über die Prozesse, die ablaufen müssen, damit sich unser Sonnensystem zu dem entwickeln kann, was wir kennen Heute.“

Um das Wasser in der protoplanetaren Scheibe von V883 Ori mit dem in unserem 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 Sonnensystembildung: Protostern, protoplanetare Scheibe und Kometen. Das bedeutet, dass das Wasser in unserem Sonnensystem lange vor der Entstehung von 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 Merrill van te Hoff, Astronom an der University of Michigan und einer der Autoren der Abhandlung. „Das ist spannend, weil es darauf hindeutet, dass auch andere Planetensysteme erhebliche Mengen an Wasser erhalten haben müssen.“

Auf der Suche nach dem Ursprung des Wassers in unserem Sonnensystem haben sich Wissenschaftler auf V883 Orionis niedergelassen, einem einzigartigen Protostern, der 1.305 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Im Gegensatz zu anderen Protosternen ist die zirkumstellare Scheibe, die V883 Ori umgibt, so heiß, dass sich das Wasser darin von Eis in Gas verwandelt hat, was es Wissenschaftlern ermöglicht, ihre Zusammensetzung mit Radioteleskopen wie denen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA ). Radiobeobachtungen des Protosterns zeigten das Vorhandensein von Wasser (orange), Staubstreifen (grün) und molekularem Gas (blau), was darauf hindeutet, dass das Wasser auf diesem Protostern dem Wasser auf Objekten in unserem Sonnensystem sehr ähnlich ist und möglicherweise das hat gleichen Ursprüngen. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J. Tobin, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Die Aufklärung der Rolle des Wassers bei der Entwicklung von Kometen und kleineren Planeten ist entscheidend, um zu verstehen, wie sich unser 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 sind, haben die beiden eine wichtige Sache gemeinsam: Sie haben sich beide in riesigen Molekülwolken gebildet.

„Es ist bekannt, dass sich der Großteil des Wassers im interstellaren Medium als Eis auf den Oberflächen winziger Staubkörner in 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 Lemker, Astronomin an der Universität Leiden und Mitautorin der Veröffentlichung. „Wir haben gezeigt, dass das Wasser, das in den Wolken produziert wird, diesem Weg fast unverändert folgt.“ Wenn wir uns also das Wasser in der Scheibe von V883 Ori ansehen, blicken wir in die Vergangenheit und sehen, wie unser Sonnensystem aussah, als es 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 ist die Wasserkette in der Entwicklung unseres Sonnensystems ins Stocken geraten. V883 Ori ist in diesem Fall das fehlende Glied, und wir haben jetzt eine ununterbrochene Kette in der Wasserkette von Kometen und Protosternen bis zum interstellaren Medium. ”

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

Referenz: „Deuterium-Enriched Water Binds Planet-forming Disks to Comets and Protostars“ von John J. Tobin, Merrill L.R. Van Hove, Margot Lemker, Ewen F. Van Dishoek, Teresa Paneki-Carino, Kenji Furuya, Daniel Harsono, Magnus F Pearson, Elzidor Cleaves, Patrick D. Sheehan und Lucas Siza, 8. März 2023, hier verfügbar. Natur.
DOI: 10.1038/s41586-022-05676-z