Eines der langjährigen Rätsel, das Planetenwissenschaftler beschäftigt, ist die Frage, warum Silizium, eines der am häufigsten vorkommenden Elemente im gesamten Universum, in den Atmosphären der Gasriesen unseres Sonnensystems, Jupiter und Saturn, praktisch unsichtbar ist. Obwohl alle Theorien auf seine Anwesenheit hindeuteten, entzogen sich direkte Beweise hartnäckig. Eine kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie wirft jedoch ein völlig neues Licht auf dieses Problem, und der entscheidende Hinweis kam aus einer unerwarteten Richtung – von einem ungewöhnlichen kosmischen Objekt, das Astronomen aufgrund seiner verwirrenden Eigenschaften treffend „Der Unfall“ (The Accident) nannten.

Dieses einzigartige Objekt, analysiert mit der unglaublichen Präzision des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA, hat Wissenschaftlern geholfen, die verborgene Chemie besser zu verstehen, die tief in den Atmosphären nicht nur von Jupiter und Saturn, sondern potenziell auch von Tausenden von Exoplaneten, die andere Sterne umkreisen, stattfindet. Die Lösung des Rätsels scheint in der fernen Vergangenheit des Universums und den Bedingungen zu liegen, die zur Zeit der Entstehung dieses uralten Himmelskörpers herrschten.

Eine zufällige Entdeckung, die alles verändert

„Der Unfall“ ist eigentlich ein Brauner Zwerg, ein faszinierendes Objekt, das sich in der „Grauzone“ zwischen Planeten und Sternen befindet. Er besteht aus einer riesigen Gaskugel, massereicher als die größten Planeten, aber nicht massereich genug, um in seinem Kern den Prozess der Kernfusion zu zünden, der den Sternen ihren Glanz verleiht. Doch selbst unter seinen schwer zu klassifizierenden Verwandten sticht „Der Unfall“ hervor. Er zeigt eine erstaunliche Mischung aus physikalischen Eigenschaften – einige sind charakteristisch für sehr junge Braune Zwerge, während andere nur bei extrem alten gesehen werden.

Genau wegen dieser ungewöhnlichen Kombination von Eigenschaften gelang es diesem Objekt jahrelang, den Standard-Detektionsmethoden zu entgehen. Es wurde erst vor fünf Jahren entdeckt, und zwar nicht von einem professionellen Astronomen, sondern von einem Bürgerwissenschaftler, der am Projekt Backyard Worlds: Planet 9 teilnahm. Dieses Programm ermöglicht es Freiwilligen auf der ganzen Welt, riesige Datenmengen zu überprüfen, die von der inzwischen stillgelegten NASA-Mission NEOWISE (Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer) gesammelt wurden, und so zu neuen wissenschaftlichen Entdeckungen beizutragen. „Der Unfall“ ist so lichtschwach und seltsam, dass Wissenschaftler für die Untersuchung seiner Atmosphäre das leistungsstärkste Weltraumobservatorium einsetzen mussten, das die Menschheit besitzt – das James-Webb-Teleskop.

Webbs Blick ins Herz des Mysteriums

Die Beobachtungen mit Webb brachten mehrere Überraschungen, doch eine stach besonders hervor. Im atmosphärischen Spektrum von „Der Unfall“ bemerkten die Wissenschaftler eine klare Signatur eines Moleküls, das sie anfangs nicht identifizieren konnten. Eine detailliertere Analyse ergab, dass es sich um Silan (SiH4) handelt, ein einfaches Molekül, das aus einem Siliziumatom und vier Wasserstoffatomen besteht. Diese Entdeckung fand in der wissenschaftlichen Gemeinschaft großen Anklang, da Forscher lange vermutet, aber nie beweisen konnten, dass Silan in den Atmosphären von Gasriesen existiert, sowohl in unserem System als auch darüber hinaus. „Der Unfall“ ist das erste Objekt seiner Art, in dem dieses Molekül zweifelsfrei identifiziert wurde.

Wissenschaftler sind ziemlich überzeugt, dass Silizium in den Atmosphären von Jupiter und Saturn existiert, aber geschickt vor unseren Instrumenten verborgen ist. Die vorherrschende Theorie besagt, dass Silizium in Gegenwart von Sauerstoff sehr leicht mit ihm eine Verbindung eingeht und Siliziumoxide wie Quarz bildet. Diese schweren Moleküle dienen dann als Kondensationskerne für die Bildung von Silikatstaubwolken, ähnlich wie Sandstürme auf der Erde. Bei kälteren Gasriesen wie Jupiter und Saturn sinken diese schweren Silikatwolken tief in die Atmosphäre, unter die leichteren Schichten aus Wasserdampf- und Ammoniakwolken. Dort bleiben sie gefangen, zu tief, um selbst von Raumsonden entdeckt zu werden, die diese Planeten aus nächster Nähe untersucht haben. Obwohl einige Wissenschaftler theoretisierten, dass leichtere Moleküle wie Silan in den oberen Schichten der Atmosphäre verbleiben sollten, wie Mehlspuren auf dem Tisch eines Bäckers, wurden sie bisher nirgends gefunden. Die Tatsache, dass sie nur in einem einzigen, und zwar einem sehr ungewöhnlichen Braunen Zwerg auftauchten, deutet auf etwas Entscheidendes über die chemischen Prozesse in solchen Umgebungen hin.

„Manchmal brauchen wir gerade die extremen Objekte, um zu verstehen, was in den durchschnittlichen vor sich geht“, erklärte Jackie Faherty, Forscherin am American Museum of Natural History in New York und Hauptautorin der neuen Studie.

Kosmische Zeitmaschine

„Der Unfall“, etwa 50 Lichtjahre von der Erde entfernt, entstand wahrscheinlich vor 10 bis 12 Milliarden Jahren, was ihn zu einem der ältesten jemals entdeckten Braunen Zwerge macht. Angesichts der Tatsache, dass das Universum etwa 13,8 Milliarden Jahre alt ist, ist dieses Objekt eine wahre kosmische Reliquie, die zu einer Zeit geformt wurde, als der Kosmos ein wesentlich anderer Ort war. In dieser frühen Ära bestand das Universum fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium, mit nur geringen Mengen an schwereren Elementen, einschließlich Silizium.

Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und, was für diese Geschichte entscheidend ist, Sauerstoff, wurden später in den feurigen Kernen von Sternen gebildet, die über Äonen lebten und starben. Daher besitzen Planeten und Sterne, die in jüngerer Zeit entstanden sind, wesentlich größere Mengen dieser Elemente. Webbs Beobachtungen bestätigen genau diese Hypothese: Silan kann sich in den Atmosphären von Braunen Zwergen und Planeten bilden, aber sein Fehlen in jüngeren Objekten deutet darauf hin, dass Sauerstoff, wenn er verfügbar ist, sich mit außergewöhnlicher Leichtigkeit und Effizienz mit Silizium verbindet. In diesem chemischen „Tauziehen“ „verschlingt“ der Sauerstoff praktisch das gesamte verfügbare Silizium und lässt nichts davon übrig, um sich mit Wasserstoff zu verbinden und Silan zu bilden.

Warum also existiert Silan in „Der Unfall“? Die Autoren der Studie schlussfolgern, dass der Grund genau das Alter dieses Braunen Zwerges ist. Zur Zeit seiner Entstehung gab es im Universum weitaus weniger Sauerstoff. Aufgrund der sauerstoffarmen Atmosphäre hatte das Silizium nichts, womit es schwere Oxide bilden konnte. Stattdessen verband es sich mit dem am häufigsten vorkommenden Element in der Umgebung – Wasserstoff –, was zur Bildung des Silans führte, das Webb nun nachweisen konnte.

„Wir haben diese Beobachtungen nicht mit der Absicht begonnen, das Rätsel von Jupiter und Saturn zu lösen“, sagte Peter Eisenhardt vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, Projektwissenschaftler der WISE-Mission. „Ein Brauner Zwerg ist eine Gaskugel wie ein Stern, aber ohne einen internen Fusionsreaktor kühlt er ständig ab und hat eine Atmosphäre, die der von Gasriesen ähnelt. Wir wollten herausfinden, warum dieser Braune Zwerg so seltsam ist, aber wir haben kein Silan erwartet. Das Universum hört nie auf, uns zu überraschen.“

Ein Fenster zur Welt der Exoplaneten

Die Untersuchung von Braunen Zwergen ist oft einfacher als die Untersuchung von gasförmigen Exoplaneten. Der Grund ist einfach: Das Licht eines fernen Planeten wird normalerweise vollständig vom Glanz des Sterns, den er umkreist, überstrahlt. Braune Zwerge hingegen reisen oft allein durch den Weltraum, was einen ungehinderten Blick auf ihre Atmosphären ermöglicht. Die Lehren, die aus der Untersuchung dieser Objekte gezogen werden, können auf eine breite Palette von Planeten angewendet werden, einschließlich derer außerhalb unseres Sonnensystems, die Anzeichen von Bewohnbarkeit aufweisen könnten.

Solche grundlegenden Forschungen legen den Grundstein für zukünftige, noch ehrgeizigere wissenschaftliche Unternehmungen. Durch die Analyse der Vielfalt und Komplexität planetarer Atmosphären bauen Wissenschaftler eine Wissensbasis auf und verfeinern die Werkzeuge, die eines Tages bei der Suche nach Leben außerhalb der Erde von entscheidender Bedeutung sein werden. „Um es klar zu sagen, wir finden kein Leben auf Braunen Zwergen“, betont Faherty. „Aber auf einer höheren Ebene bereiten wir durch das Studium all dieser Vielfalt und Komplexität die Wissenschaftler vor, die eines Tages solche chemischen Analysen für felsige, potenziell erdähnliche Planeten durchführen müssen. Es wird vielleicht nicht speziell um Silizium gehen, aber auch sie werden Daten erhalten, die kompliziert und verwirrend sind und nicht in bestehende Modelle passen, genau wie wir heute. Sie werden all diese Komplexitäten ergründen müssen, wenn sie die größten Fragen beantworten wollen.“