Sonnensystem: Unser Wasser ist interstellar

Kosmisches Wasser: Astronomen haben ein entscheidendes Bindeglied für die Herkunft des Wassers im Sonnensystem entdeckt – in der protoplanetaren Scheibe eines 1.300 Lichtjahre entfernten Sterns. Spektralanalysen enthüllten, dass die Wassermoleküle in diesem System einen ähnlichen Deuteriumanteil aufweisen wie das interstellaren Medium, aber auch wie die Kometen und Asteroiden im Sonnensystem. Das Wasser im Sonnensystem ist demnach zumindest in Teilen interstellaren Ursprungs – und weit älter als unser System, so die Astronomen in „Nature“.

Woher bekam die Erde einst ihr Wasser? Isotopenvergleiche legen nahe, dass unser Planet sein Wasser teils aus dem Staub und Gas der Urwolke erhielt, teils durch Einschläge von Asteroiden und Kometen. Allerdings gibt es auch einige Abweichungen, die auf eine weitere Quelle hindeuten. Planetenforscher vermuten daher schon seit längerem, dass Jungsterne und ihre protoplanetaren Scheiben ihr Wasser auch vom interstellaren Medium „erben“ – den Gas- und Staubwolken, aus denen neue Sterne entstehen.

Fehlendes Glied in der Kette

„Wir können uns den Weg des Wassers durch den Kosmos als eine Kette vorstellen: Wir wissen bereits, wie die Endglieder davon aussehen – das Wasser auf Planeten und in Kometen“, erklärt Erstautor John Tobin vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Charlottesville. „Wir konnten bisher schon die Erde mit Kometen verknüpfen und Protosterne mit dem interstellaren Medium. Aber das Bindeglied von Protosternen zu Kometen fehlte.“

Dieses Missing Link müssten eigentlich die protoplanetaren Scheiben um junge Sterne liefern. Doch dabei gibt es ein Problem: Normalerweise ist der größte Teil des Wassers in diesen Gas- und Staubscheiben zu Eiskristallen gefroren. Bei gefrorenem Wasser können Astronomen jedoch die Isotopenzusammensetzung, beispielsweise den Anteil des schweren Wasserstoff-Isotops Deuterium, nicht anhand von Spektralanalysen bestimmen – das geht nur bei gasförmigen Stoffen.

Protostern mit heißer Scheibe

Anders ist dies nun bei V883 Orionis: Dieser Protostern liegt rund 1.300 Lichtjahre von uns entfernt im Sternbild Orion. Seine protoplanetare Scheibe reicht bis zu 320 astronomische Einheiten ins All hinaus und ist daher gut zu beobachten. Das Entscheidende jedoch: Durch einen starken Ausbruch vor gut 130 Jahren wurde das Material um den Protostern aufgeheizt. Dadurch verschob sich die Schneelinie – die Grenze, ab der Wasser gefroren ist – weit nach außen und ein großer Teil des Wassers liegt nun als Wasserdampf vor.

Mithilfe des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile konnten Tobin und sein Team dadurch die spektralen Signaturen des Wassers um diesen Protostern einfangen und analysieren. „Die aufgeheizte Scheibe von V883 Orionis ermöglicht es uns, sein Wasserreservoir räumlich aufgelöst zu charakterisieren, was bei den meisten protoplanetaren Scheiben nicht möglich ist“, erklären die Astronomen.

Missing Link zum interstellaren Wasser

Die Analysen enthüllten: Der Deuterium-Anteil in den Wassermolekülen der protoplanetaren Scheibe zeigt Übereinstimmungen mit dem Wasser von Kometen unseres Sonnensystems – aber auch mit dem interstellaren Medium. „Dies bestätigt die Idee, dass das Wasser in Planetensystemen im interstellaren Raum entstanden ist und sowohl von Kometen als auch von der Erde relativ unverändert übernommen wurde“, sagt Tobin.

Damit liefert V883 Orionis das fehlende Bindeglied in der Kette des kosmischen Wassers: Der Protostern verbindet einerseits das interstellare Wasser mit Protosternen und ihrer protoplanetaren Scheibe. Dies bestätigt die Annahme, dass Sterne und Planetensysteme ihr Wasser aus dem Gas- und Staub der Sternenwiegen „erben“. Andererseits belegen die Daten, dass diese interstellare Signatur sich auch in unserem Sonnensystem wiederfindet – in dem Wasser der Kometen, Asteroiden und auch unserer Erde.

Interstellar und älter als die Sonne

„V883 Orionis ist das Missing Link: Wir haben nun eine ununterbrochene Kette von Kometen und Protosternen zum interstellaren Medium“, sagt Tobin. Koautorin Margot Leemker vom Observatorium Leiden ergänzt: „Indem wir uns das Wasser in der Scheibe von V883 Orionis anschauen, blicken wir im Prinzip in der Zeit zurück und sehen, wie unser eigenes Sonnensystem aussah, als es noch viel jünger war“, sagt Koautorin Leemker.

Gleichzeitig legen die Ergebnisse nahe, dass Teile des irdischen Wassers wahrscheinlich weit älter sind als unser Planet oder die Sonne: Sie stammen aus der interstellaren Umgebung, die schon lange vor unserem Planetensystem existierte. (Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-022-05676-z)

Quelle: National Radio Astronomy Observatory (NRAO), European Southern Observatory (ESO)