Auf der chemischen Spur von sternbildenden Wolken bis hin zu planetenbildenden Scheiben
Neue Planetensysteme bilden sich in den rotierenden Scheiben von Gas und Staub um junge Sterne herum. Diese Scheiben sind klein und enthalten weniger als 1 % der Masse der Mutterwolke, durch deren Kollaps das System entstanden ist, weshalb sie schwer zu beobachten sind und Instrumente mit hoher räumlicher Auflösung erforderlich machen. Das durch den Europäischen Forschungsrat (EFR) unterstützte Projekt CHEMPLAN (Astrochemistry and the Origin of Planetary Systems) nutzte die Daten des neuen Atacama Large Millimeter/submillimeter Array – ALMA, um die chemische Zusammensetzung über den gesamten Temperaturbereich von 10-1000 K in diesen Regionen zu untersuchen. Dem Projekt gelang es, die physikalische und chemische Struktur von sternbildenden Wolken und planetenbildenden Scheiben mit beispielloser Genauigkeit zu charakterisieren – auf Ebenen, die mit unserem eigenen Sonnensystem vergleichbar sind. Darüber hinaus wurde ihre chemische Zusammensetzung mit der von Kometen- und Exoplanetarsystemen in Verbindung gebracht, was darauf hindeutet, dass der Ursprung der Wolken, deren Moleküle auf ihrem Weg zwischen Scheibe und Komet nicht wesentlich verändert wurden, vor der Entstehung unseres Sonnensystems liegt. Integriertes Wissensdreieck aus Beobachtungen, Modellierungen und Laborversuchen Der Beginn von CHEMPLAN fiel mit dem von ALMA zusammen, einem Array bestehend aus 54 Teleskopen auf einer Hochebene in Chile. ALMA hat sich als besonders geeignet erwiesen, um Moleküle in nahe gelegenen sternbildenden Regionen ausfindig zu machen. Zudem hat es auch eine große Anzahl von Scheiben schnell untersucht, um ihre Struktur und ihr Potenzial zur Bildung neuer Planeten zu bestimmen. „ALMA schafft in einer Minute, was mit einem anderen Array zuvor eine ganze Nacht gedauert hat. Wann immer ein neuer ALMA-Datensatz geliefert wird, ist es, als würde man ein Weihnachtsgeschenk auspacken,“ so CHEMPLAN-Projektkoordinator Professor Ewine van Dishoeck. Zur Analyse der ALMA-Daten war CHEMPLAN auf Modelle der chemischen Kinetik sowie auf Laborversuche angewiesen, um grundlegende chemische Reaktionen in Eis unter weltraumähnlichen Bedingungen zu untersuchen. Bei der Modellierung wurde das Überleben von Molekülen auf dem Weg zwischen Wolken und Scheiben quantifiziert, einschließlich der nachfolgenden chemischen Veränderungen in den Scheiben. Zum Beispiel zeigte das Team, wie sehr C/O- und C/N-Verhältnisse (Verhältnis von Gesamtkohlenstoff zu Sauerstoff und von Kohlenstoff zu Stickstoff) von physikalischen Parametern wie Temperatur und Ionisationsgeschwindigkeit abhängen. Anschließend wurde die Scheibenchemie mit Planetenentstehungsmodellen verknüpft, die die Bedeutung von Gas gegenüber Eisbildung für die Einstellung der C/O-Verhältnisse in exoplanetaren Atmosphären zeigten. Die Laborversuche haben sich als wichtig erwiesen, um den ALMA-Nachweis komplexer organischer Moleküle wie Zucker und Amide in einer jungen Scheibe um einen sonnenähnlichen Protostern sowie deren Bildungswege in Eis zu erklären. Ein weiteres wichtiges Ergebnis war die erste Erkennung einer Staubfalle in einer zirkumstellaren Scheibe, dem Ort der zukünftigen Bildung von Planetesimalen. „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Planetenbildung früher beginnt als bisher angenommen, und dass Wasser und präbiotische Moleküle bereits reichlich vorhanden sind. Beide Ergebnisse tragen zu unserem Versuch bei, die grundlegendsten Fragen wie: ‚woher kommen wir?‘ und ‚könnte es anderswo im Universum Leben geben?‘ zu beantworten“, so Professor van Dishoeck. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird das Team mehr und tiefergehende ALMA-Spektraluntersuchungen bei jungen Scheiben durchführen, um die Geltung der aktuellen Ergebnisse für einige wenige Systeme zu untersuchen. Darüber hinaus wird das Team die Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops in Bezug auf die inneren Regionen protoplanetarer Scheiben auch auf die äußeren Scheiben und die exoplanetaren Atmosphärenzusammensetzungen anwenden. Schließlich werden die Forscher auch weiterhin die zugrunde liegenden molekularen Daten verfeinern, die erforderlich sind, um die chemischen Spuren zwischen Wolken und Scheiben zu verstehen.
Schlüsselbegriffe
CHEMPLAN, ALMA, interstellar, Universum, Molekül, Astronomie, Protosterne, Sonnensystem, Planeten, Sterne, Kometen, Exoplaneten, Weltraum