In den unendlichen Weiten des Universums stoßen Astronomen oft auf kosmische Rätsel, die sich einfachen Erklärungen entziehen. Eines dieser langjährigen Mysterien betrifft die Atmosphäre von Gasriesen wie Jupiter und Saturn. Warum fehlt ihnen Silizium, eines der am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum? Die Antwort auf diese Frage scheint aus einer unerwarteten Richtung zu kommen – durch die Untersuchung eines ungewöhnlichen Himmelskörpers, der aufgrund seiner seltsamen Natur und zufälligen Entdeckung den Spitznamen „Der Unfall“ (The Accident) erhielt.

Eine neue Studie, die sich auf die unglaublichen Fähigkeiten des James-Webb-Weltraumteleskops stützt, hat neues Licht auf die chemischen Prozesse geworfen, die tief in den Atmosphären dieser Planeten, aber auch in Tausenden anderer Welten außerhalb unseres Sonnensystems verborgen sind. Im Mittelpunkt der Geschichte steht ein Molekül, nach dem Wissenschaftler lange gesucht, es aber bisher nicht finden konnten – Silan.

Eine zufällige Entdeckung, die alles veränderte

„Der Unfall“, mit offiziellem Namen WISEA J153429.75-104303.3, ist ein Brauner Zwerg, ein faszinierender Himmelskörper, der eine Übergangsform zwischen den größten Planeten und den kleinsten Sternen darstellt. Braune Zwerge sind massereicher als Jupiter, aber nicht massereich genug, um in ihrem Kern die Kernfusion von Wasserstoff zu zünden, der Prozess, der den Sternen ihr Leuchten verleiht. Doch selbst in der Kategorie dieser „gescheiterten Sterne“ sticht „Der Unfall“ als außergewöhnlich ungewöhnliches Exemplar hervor.

Dieses Objekt besitzt eine verwirrende Kombination von Eigenschaften; einige sind typisch für sehr junge Braune Zwerge, während andere nur bei extrem alten gesehen werden. Gerade wegen dieser ungewöhnlichen Natur entging es jahrelang den Standard-Nachweismethoden. Es wurde erst vor fünf Jahren entdeckt, und zwar nicht von einem professionellen Astronomen, sondern dank des Enthusiasmus eines Bürgerwissenschaftlers. Dan Caselden, ein Teilnehmer des Projekts Backyard Worlds: Planet 9, bemerkte die schwache Bewegung dieses Objekts bei der Durchsicht von Archivdaten der NASA-Mission NEOWISE (Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer). Dieses Projekt ermöglicht es Freiwilligen aus der ganzen Welt, riesige Datenmengen zu analysieren und bei der Entdeckung neuer Welten in unserer kosmischen Nachbarschaft zu helfen.

„Der Unfall“ ist so lichtschwach und spektral seltsam, dass Wissenschaftler das leistungsstärkste Weltraumobservatorium, das jemals gebaut wurde, das James-Webb-Teleskop, einsetzen mussten, um in seine Atmosphäre zu blicken. Die Analyse des Lichts, das durch die Atmosphäre dieses Braunen Zwergs dringt, offenbarte mehrere Überraschungen, aber eine war besonders wichtig. Unter den chemischen Signaturen bemerkte das Team Spuren eines Moleküls, das sie anfangs nicht identifizieren konnten. Eine detailliertere Analyse bestätigte, dass es sich um Silan ($SiH_4$) handelt, ein einfaches Molekül, das aus einem Siliziumatom und vier Wasserstoffatomen besteht.

Der Geist eines Moleküls: Warum ist die Entdeckung von Silan ein großer Erfolg?

Die Entdeckung von Silan ist monumental. Wissenschaftler haben jahrzehntelang theoretisiert, dass dieses Molekül nicht nur in den Atmosphären von Braunen Zwergen, sondern auch in den oberen Schichten der Atmosphären der Gasriesen unseres Sonnensystems existieren sollte. Doch trotz zahlreicher Suchen wurde es nie nachgewiesen – bis jetzt. „Der Unfall“ wurde das erste Objekt seiner Art, in dessen Atmosphäre die Existenz von Silan zweifelsfrei bestätigt wurde.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft ist sich ziemlich sicher, dass Silizium in der Atmosphäre von Jupiter und Saturn existiert, aber sie glauben, dass es vor unserem Blick verborgen ist. Die vorherrschende Theorie besagt, dass sich Silizium in Gegenwart von Sauerstoff sehr leicht bindet und Silikatverbindungen wie Quarz bildet. Auf heißen Gasriesen können diese Silikate Wolken bilden, ähnlich wie Sandstürme auf der Erde. Auf kälteren Gasriesen wie Jupiter und Saturn sinken diese schweren Silikatwolken tief in die Atmosphäre, weit unter die leichteren Schichten aus Ammoniak- und Wasserdampfwolken. Sie befinden sich in so großen Tiefen, dass sie selbst für die Raumsonden, die diese Planeten aus der Nähe untersucht haben, unsichtbar sind.

Einige Forscher vermuteten jedoch, dass leichtere Siliziummoleküle wie Silan in den oberen Schichten der Atmosphäre verbleiben sollten, wie Mehlspuren auf dem Tisch eines Bäckers. Die Tatsache, dass solche Moleküle nirgendwo außer in diesem einen, extrem ungewöhnlichen Braunen Zwerg gefunden wurden, deutet auf etwas Entscheidendes über die Chemie hin, die in diesen Umgebungen stattfindet. „Manchmal braucht man die extremen Objekte, um zu verstehen, was in den durchschnittlichen vor sich geht“, sagte Jacqueline Faherty, eine Forscherin am American Museum of Natural History in New York und Hauptautorin der Studie, die Anfang September in der renommierten Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.

Ein Relikt aus der Morgendämmerung des Universums

Um zu verstehen, warum „Der Unfall“ Silan hat und andere Objekte nicht, müssen wir weit in die Vergangenheit zurückgehen. Etwa 50 Lichtjahre von der Erde entfernt, entstand dieser Braune Zwerg wahrscheinlich vor 10 bis 12 Milliarden Jahren. Angesichts der Tatsache, dass das Universum selbst etwa 13,8 Milliarden Jahre alt ist, ist „Der Unfall“ einer der ältesten jemals entdeckten Braunen Zwerge – ein wahres kosmisches Relikt.

Zur Zeit der Entstehung dieses Objekts war das Universum chemisch sehr arm. Es bestand fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium, mit nur vernachlässigbaren Mengen an schwereren Elementen, einschließlich Silizium. Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, die für die uns bekannte Chemie entscheidend sind, entstehen in den Kernen von Sternen und werden erst nach deren Tod im Universum verteilt. Daher besitzen Planeten und Sterne, die später entstanden sind, wie unsere Sonne, Jupiter und Saturn, deutlich mehr dieser Elemente.

Beobachtungen mit dem Webb-Teleskop bestätigen, dass Silan tatsächlich in den Atmosphären von Braunen Zwergen und Planeten entstehen kann. Sein Fehlen bei anderen, jüngeren Objekten deutet stark darauf hin, dass, wenn Sauerstoff verfügbar ist, dieser sich mit außerordentlicher Leichtigkeit und Effizienz mit Silizium verbindet. In diesem Prozess „verschlingt“ der Sauerstoff alles verfügbare Silizium und lässt fast nichts übrig, das sich mit Wasserstoff verbinden und Silan bilden könnte.

Warum also hat „Der Unfall“ Silan? Die Autoren der Studie vermuten, dass der Grund genau sein Alter ist. Im frühen Universum, als dieser uralte Braune Zwerg entstand, gab es weit weniger Sauerstoff. Aufgrund dieses Mangels hatte Silizium nichts, womit es Silikate bilden konnte. Stattdessen verband es sich mit dem am leichtesten verfügbaren Element – Wasserstoff – und so entstand Silan, ein Molekül, das seit Milliarden von Jahren in seiner Atmosphäre erhalten geblieben ist.

Breitere kosmische Bedeutung

Diese Entdeckung hat Implikationen, die weit über das Verständnis von Jupiter und Saturn hinausgehen. Braune Zwerge sind oft leichter zu untersuchen als Exoplaneten, die Gasriesen, die andere Sterne umkreisen. Das Licht eines fernen Planeten wird normalerweise vom Glanz seines Muttersterns überschattet, während Braune Zwerge meist allein durch den Weltraum reisen, was sie zu idealen natürlichen Laboren für die Untersuchung von Planetenatmosphären macht.

„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, ein Projektwissenschaftler der WISE-Mission. „Wir wollten herausfinden, warum dieser Braune Zwerg so seltsam ist, aber wir haben kein Silan erwartet. Das Universum überrascht uns ständig.“

Die Lehren aus der Untersuchung von Objekten wie „Der Unfall“ sind auf alle Arten von Planeten anwendbar, einschließlich derer außerhalb unseres Sonnensystems, die Anzeichen von Bewohnbarkeit aufweisen könnten. Obwohl es wichtig ist zu betonen, dass es hier nicht um die Suche nach Leben geht, ist die Methodik entscheidend. „Um es klar zu sagen, wir finden kein Leben auf Braunen Zwergen“, stellte Faherty klar. „Aber auf einer höheren Ebene bereiten wir durch das Studium all dieser Vielfalt und Komplexität in Planetenatmosphären die Wissenschaftler vor, die eines Tages solche chemischen Analysen für felsige, erdähnliche Planeten durchführen müssen. Es wird vielleicht nicht speziell um Silizium gehen, aber sie werden Daten erhalten, die kompliziert und verwirrend sind und nicht in bestehende Modelle passen, genau wie wir. Sie werden all diese Komplexität aufschlüsseln müssen, wenn sie die großen Fragen beantworten wollen.“