Was bedeutet 'Eis' in der Astronomie?

Sternengeschichten Folge 691: Der Chamäleon-Komplex und die dunkle Chemie

"Der Chamäleon-Komplex"! Das klingt wie der Titel eines Thrillers und Thriller, die solche Titel haben, sind meistens nicht besonders gut. In diesem Fall geht es aber nicht um Geheimagenten und wilde Schießereien, sondern natürlich um Astronomie. Der Chamäleon-Komplex ist eine mehrere hundert Lichtjahre durchmessende Region im Weltall, in der zwar auch jede Menge wilde Dinge passieren, die aber darüber hinaus auch aus wissenschaftlicher Sicht äußerst spannend sind.

Der Chamäleon-Komplex besteht aus drei großen Dunkelwolken und hat mit einem Chamäleon nur insofern etwas zu tun, als dass sich diese Dunkelwolken von uns aus gesehen in der Richtung des Nachthimmels befinden, in der sich auch das gleichnamige Sternbild befindet. Man kann die Wolken also nur von der Südhalbkugel der Erde aus beobachten, aber zum Glück gibt es dort ja auch jede Menge große Teleskope. Denn der Chamäleon-Komplex ist definitiv einen Blick wert! Dunkelwolken haben nichts mit den dunklen Wolken an unserem Himmel zu tun. Es sind riesige Strukturen aus Gas und diversen anderen interstellaren Molekülen und es sind vor allem die Strukturen aus denen und in denen neue Sterne entstehen. Solche Wolken gibt es überall zwischen den Sternen, aber die drei Wolken des Chamäleon-Komplex sind nur um die 600 Lichtjahre von uns entfernt. Es handelt sich also um eines der uns am nächsten gelegenen Sternentstehungsgebiete und das ist äußerst praktisch, weil wir dort im Detail erforschen können, wie Sterne und Planeten entstehen.

Die Chamäleon I Wolke ist circa 620 Lichtjahre von uns entfernt und in den dunklen Massen aus Gas und Staub sind schon circa 200 bis 300 Sterne entstanden. Man kann sie weiter in eine südliche und nördliche Wolke unerteilen, wobei die Sternentstehung in der südlichen Region vor circa 3 bis 4 Millionen Jahren begonnen hat und im Norden ein wenig später, vor 5 bis 6 Millionen Jahren. Oder anders gesagt: Die meisten Sterne dort sind erst ein paar Millionen Jahre alt, was für einen Stern quasi nichts ist. Wir können also direkt in die Kinderstube der gerade erst geborenen Sterne schauen. Und wir sehen dort jede Menge spektakuläre Objekte. Zum Beispiel IC 2631 - so lautet die Bezeichnung eines Reflexionsnebels innerhalb von Chamäleon I und ein Reflexionsnebel ist eine Struktur aus Gas, die leuchtet. Das macht das interstellare Gas natürlich nicht einfach von selbst. Es braucht dazu die Strahlung eines nahegelegenen Sterns, der das Gas zum Leuchten anregt. Der Stern ist in diesem Fall HD 97300 und gehört unter den Neugeborenen von Chamäleon I zu den Objekten mit der höchsten Masse. Obwohl: Eigentlich sollte man HD 97300 vielleicht noch gar nicht "Stern" nennen. Eigentlich handelt es sich um ein Herbig-Ae/Be-Objekt und diese Objekte sind eigentlich noch keine fertigen Sterne. Ich habe in den vergangenen Folgen der Sternengeschichten immer wieder über die verschiedenen Phasen der Sternentstehung gesprochen und möchte das hier nicht wiederholen. Aber ein normaler Stern ist auf jeden Fall ein Himmelskörper, in dem Wasserstoff zu Helium fusioniert wird und zwar stabil. Das bedeutet, dass es ein sogenanntes hydrostatisches Gleichgewicht gibt; in dem Fall ein Gleichgewicht zwischen der Gravitationskraft der gesamten Masse des Sterns, die ihn eigentlich unter seinem eigenen Gewicht kollabieren lassen will und andererseits der Kraft der durch die Kernfusion erzeugten Strahlung, die aus dem Zentrum des Sterns nach außen dringt und quasi in die entgegengesetze Richtung drückt. Bei Herbig-Ae/Be-Sternen ist dieses Gleichgewicht in dieser Form noch nicht existent. Hier hat die Wasserstofffusion noch nicht ihr volles Ausmaß erreicht; sie läuft noch nicht stabil und der Stern ist immer noch dabei, unter seiner eigenen Gravitationskraft zu kontrahieren. Aber auch wenn es sich bei HD 97300 noch nicht um einen fertigen, stabilen Stern handelt, produziert er dennoch jede Menge Strahlung und die bringt die Gasmassen in seiner Umgebung zum Leuchten.

Wir können im Chamäleon-Komplex aber nicht nur die Sterne auf ihrem Entwicklungsweg beobachten. Dort, wo sich neue Sterne bilden, entstehen natürlich auch Planeten. Das Material, dass die jungen Himmelskörper umgibt, formt Scheiben aus Gas und Staub um sie herum und darin können Planeten entstehen. Wir haben einige solcher protoplanetaren Scheiben beobachtet, zum Beispiel bei HD 97048, ein weiteres Herbig-Ae/Be-Objekt in Chamäleon I. Die weist allerdings ein paar Besonderheiten auf. Die Scheibe ist keine Scheibe mehr, sondern eher eine Ansammlung von konzentrischen Ringen. Das bedeutet, dass irgendetwas IN der Scheibe dafür sorgt, das Gas und Staub dort nicht mehr gleichmäßig verteilt sind, sondern sich anders angeordnet haben. Und dieses "irgendetwas" kann eigentlich nur ein Planet sein. Im Fall von HD 97048 muss es sich um einen Planeten handeln, der ungefähr die 2,5fache Masse des Jupiters hat.

Fast noch spannender ist das, was Yumiko Oasa und ihre Kollegen Motohide Tamura und Koji Sugitani 1999 entdeckt haben. Sie waren auf der Suche nach den Vorläufern von Sternen, also Objekten wie den Herbig-Ae/Be-Sternen; Himmelskörper, die auf dem Weg zu, aber noch keine richtigen Sterne sind. Eines aus ihrer Liste trägt heute die Bezeichnung OTS 44, nach den Anfangsbuchstaben der Nachnahmen Oasa, Tamura und Sugitani. Damals hat man es als braunen Zwerg identifiziert, also als einen Himmelskörper, der zwar ausreichend viel Masse hat, um in seinem Inneren das Wasserstoff-Isotop Deuterium fusionieren zu können - aber zu wenig Masse hat, um auch die normale Wasserstofffusion zu starten. Das bedeutet, dass solche Objekte zwar ein bisschen leuchten, aber nicht viel und nicht lange. Sie sind keine Planeten, aber auch keine echten Sterne. Für echte Wasserstofffusion braucht man circa das 75fache der Masse von Jupiter; die Deuteriumfusion eines braunen Zwergs startet aber schon, im Zentrum einer Kugel aus Gas mit der circa 13fachen Jupitermasse. Die Masse von OTS 44 lässt sich nicht exakt bestimmen und heute wissen wir, dass sie irgendwo zwischen 5 und 17 Jupitermassen liegt, mit einem wahrscheinlichsten Wert von 11,5 Jupitermassen. Das bedeutet, dass es sich zwar immer noch um einen braunen Zwerg handeln kann; das es aber wahrscheinlicher ist, dass es "nur" ein großer Gasplanet wie Jupiter ist. Und, auch das haben neuere Beobachtungen gezeigt, dieser Himmelskörper ist selbst von einer Scheibe aus Staub umgeben, die insgesamt eine Masse hat, die dem 10fachen der Erdmasse entspricht.

Wir wissen, dass Sterne entstehen, wenn interstellare Gaswolken kollabieren. Je nachdem wie das abläuft, können dabei Sterne mit viel Masse entstehen oder Sterne mit wenig Masse. Wir wissen auch, dass ab und zu Objekte entstehen, die zu wenig Masse haben, um ein echter Stern zu werden und als braune Zwerge enden. Aber, und das zeigt uns die Existenz von OTS 44, vielleicht können auch Objekte, die wir eigentlich als Planeten bezeichnen würde, so entstehen. Denn normalerweise gehen wir ja davon aus, dass Himmelskörper wie Saturn oder Jupiter, also die großen Gasriesen im Sonnensystem, aus der protoplanetaren Scheibe entstanden sind, die die junge Sonne umgeben hat. Das Gas und der Staub dort haben sich im Laufe der Zeit zusammengeklumpt und die Klumpen sind zu Planeten angewachsen. Oder etwas vereinfacht gesagt: Sterne entstehen, wenn große Gaswolken in sich zusammenfallen. Planeten entstehen, wenn kleine Teilchen aus Gas und Staub zu immer größeren Objekten anwachsen. Aber wenn OTS 44 tatsächlich weniger als 13 Jupitermassen hat; also kein brauner Zwerg ist, dann zeigt uns das, dass auch Planeten durch den Kollaps von Gaswolken entstehen können und nicht zwingend aus kleinen Strukturen wachsen müssen. Obwohl es fraglich ist, ob wir diese Objekte dann wirklich als "Planeten" bezeichnen sollen? Denn OTS 44 umkreist keinen Stern und hat sich nicht gebildet wie ein Planet es normalerweise tut, sondern wie es Sterne tun. Die Objekte, die in der Staubscheibe um OTS 44 vielleicht gerade entstehen - sie werden sich wie Planeten gebildet haben, die dann aber keinen Stern umkreisen sondern eben das, was auch immer OTS 44 ist.

Es ist mehr als klar, dass wir im Chamäleon-Komplex jede Menge darüber lernen können, wie Sterne und andere Himmelskörper sich bilden. Wir können quasi live bei der Geburt der Sterne und Planeten zusehen, aber nicht nur dabei. 2023 haben Forscherinnen und Forscher das damals gerade erst ins Weltall gestartete James-Webb-Weltraumteleskop genutzt, um sich das "Eis" in den dunklen Wolken des Chamäleon-Komplexes genauer anzusehen. Und mit "Eis" meint man in der Astronomie nicht nur gefrorenes Wasser, sondern alle Arten von gefrorenen Molekülen. Also Methan, Kohlendioxid, Ammoniak, und so weiter. Die chemischen Elemente, aus denen diese Moleküle bestehen, finden sich überall in den Dunkelwolken. Sie befinden sich dann natürlich auch in den protoplanetaren Scheiben, die die jungen Sterne umgeben und sie befinden sich am Ende in den Objekten, die in den Scheiben entstehen, also den Planeten. Die Frage ist, was auf diesem Weg mit ihnen passiert? Die Daten des James-Webb-Teleskops haben gezeigt, dass die chemischen Elemente schon in den Dunkelwolken selbst komplexere Moleküle bilden können. Dort, bei extrem niedrigen Temperaturen und ohne Licht der Sterne gibt es eine "dunkle Chemie", wie es die Forschenden genannt haben. Die ist aber nicht mysteriös oder böse; es geht darum, dass die kalten Staubteilchen der interstellaren Materie, die ebenfalls Teil der Dunkelwolken sind, gute Bedingungen bietet, dass auf ihnen Atome miteinander reagieren und komplexere Moleküle bilden können. Diese Eiskörner mit ihren Molekülen können anwachsen, wenn sie in die protoplanetaren Scheiben gelangen und am Ende auch Teil der daraus entstehenenden Planeten werden. Die dunkle Chemie in den riesigen Wolken der Sternentstehungsgebiete ist also die Grundlage für die chemische Ausstattung der Planeten und damit auch die Basis für die Entstehung von Leben. Auch die Sonne und die Erde sind vor Milliarden von Jahren in so einer Wolke entstanden. Was damals passiert ist, können wir heute nicht mehr beobachten, aber die Erforschung von anderen Wolken wie die des Chamäelon-Komplexes macht es möglich, dass wir trotzdem vielleicht irgendwann herausfinden können, wie das Leben auf der Erde entstanden ist.