Ein Forschungsdurchbruch des James-Webb-Weltraumteleskops schlägt ein neues Kapitel im Verständnis der Entstehung von Monden um junge, massereiche Planeten auf – und versetzt uns dabei zurück in die Zeit, als unser Sonnensystem geboren wurde.

Im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit steht das junge System CT Chamaeleontis im Sternbild Chamäleon, das etwa 625 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Innerhalb dieses Systems befindet sich CT Cha b, ein planetenähnliches Objekt in einer weiten Umlaufbahn, das von einer dichten Scheibe aus Gas und Staub umgeben ist – einem Band aus Material, das sich nach führenden Theorien zu Monden verdichtet, während der Planet noch entsteht. Die neuesten Beobachtungen von Webb im MIRI/MRS-Modus liefern erstmals direkt messbare chemische und physikalische Eigenschaften dieser zirkumplanetaren Scheibe, indem sie das Licht des Planeten vom Leuchten des jungen Sterns trennen.

Warum diese Scheibe besonders ist

Im Gegensatz zu protoplanetaren Scheiben, die Sterne umgeben und aus denen Planeten entstehen, sind zirkumplanetare Scheiben lokale Materialreservoirs im Gravitationsbereich eines jungen Gasriesen. Genau eine solche Umgebung war die Wiege der Galileischen Monde des Jupiters – Io, Europa, Ganymed und Kallisto –, die vor mehr als vier Milliarden Jahren aus einem gas- und staubreichen Ring um den jungen Jupiter entstanden. Ein heutiges Beispiel einer solchen „Mond-Baustelle“ zu beobachten, bedeutet, ein Fenster in die frühe Geschichte des Sonnensystems zu erhalten.

Webbs Analyse zeigt, dass die Scheibe um CT Cha b extrem reich an Kohlenstoffmolekülen ist. Im mittleren Infrarotbereich wurden spektrale „Fingerabdrücke“ von Acetylen (C₂H₂), Benzol (C₆H₆) und mehreren anderen Kohlenstoffverbindungen identifiziert, während gleichzeitig in der größeren, stellaren Scheibe um den jungen Stern Wasserlinien ohne klare Anzeichen einer ähnlichen Kohlenstoffchemie festgestellt wurden. Dieser Kontrast deutet auf eine sehr schnelle und lokal unterschiedliche chemische Evolution bereits innerhalb der ersten ~2 Millionen Jahre des Systemlebens hin.

Geometrie des Systems und Trennung des Lichts

Der junge Stern CT Cha ist nur etwa 2 Millionen Jahre alt und saugt immer noch Materie aus seiner eigenen, ausgedehnten Scheibe an. Doch CT Cha b kreist außerhalb dieser geschäftigen Baustelle – in einer geschätzten räumlichen Entfernung von etwa 74 Milliarden Kilometern (was ungefähr ~495 astronomischen Einheiten entspricht). In diesem Maßstab bilden der planetare Begleiter und seine Scheibe ein eigenständiges chemisches Labor. Die Tatsache, dass es Webb gelungen ist, das subtile Signal der Scheibe vom intensiven Hintergrundlicht des jungen Sterns zu isolieren, unterstreicht die Stärke der Kombination aus hoher Winkelauflösung und mittelauflösender Spektroskopie.

Um das Licht von CT Cha b aus dem zweideutigen Leuchten zu extrahieren, verwendeten die Forscher Methoden mit hohem Kontrast und eine sorgfältige Dekompensation der Punktstreufunktion (PSF-Subtraktion). Auf diese Weise wurde ein reines Infrarotspektrum rekonstruiert, aus dem die chemischen Signaturen der Scheibe abgelesen werden können.

Was uns die Chemie verrät: Bausteine zukünftiger Monde

Das Vorhandensein von Acetylen und Benzol ist nicht nur eine exotische Fußnote: Es handelt sich um Vorläufer komplexerer organischer Moleküle. In Umgebungen, in denen ultraviolette Strahlung, thermische Gradienten und Kollisionen von Staubkörnern vorhanden sind, können solche Kohlenwasserstoffe an der Polymerisation und der Bildung von PAKs (polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen) teilnehmen, aber auch die Karbonatisierung und Umstrukturierung von Eis auf den Oberflächen der Körner anregen. All dies verändert die Klebrigkeit und Aerodynamik der Teilchen, beschleunigt wachstumsfördernde Kollisionen und hilft bei der Entstehung größerer Körper – von millimetergroßen Körnern bis zu kilometergroßen Möndchen.

Im Gegensatz dazu deutet das wasserreiche Spektrum des Materials in der stellaren Scheibe auf eine andere thermochemische Zone und eine andere Quelle der Gaszufuhr hin. Dies impliziert, dass die Monde um CT Cha b, falls sie sich tatsächlich bilden, ein anderes Verhältnis von Eis zu Gestein entwickeln könnten, als wir es allein aus den Bedingungen in der größeren, stellaren Scheibe erwarten würden. Die beiden am weitesten entfernten Galileischen Monde, Ganymed und Kallisto, enthalten heute bis zu 50 % Wasser in Form von Eis – ein Beispiel dafür, wie die Chemie der Scheibe die inneren Schichten und die langfristige Evolution von Monden definiert.

MIRI/MRS: wie Webb Moleküle „hört“

Das Instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) am Webb-Teleskop deckt einen Wellenlängenbereich ab, in dem schwingungs- und rotationsbedingte Anregungen von Molekülen erkennbare „Linien“ hinterlassen. Im Medium Resolution Spectrograph-Modus bietet MIRI ein Gleichgewicht zwischen spektraler Schärfe und Empfindlichkeit, was die Detektion schwacher Linien ermöglicht, selbst wenn sie sich neben weitaus stärkeren Quellen befinden. Für CT Cha b bedeutete dies, dass die charakteristischen Absorptions-/Emissionssignaturen von Kohlenwasserstoffen aus dem Hintergrundlicht des Sterns isoliert wurden, worauf ein Vergleich mit Spektralbibliotheken und Computermodellen folgte, die gasförmige Scheiben und protoplanetare Atmosphären beschreiben.

Eine solche „chemische Tomographie“ verrät nicht nur, was vorhanden ist, sondern auch, wo sich bestimmte Moleküle innerhalb der Scheibe befinden. Beispielsweise sind wärmere innere Gürtel günstiger für Acetylen und Benzol, während Wasserdampf und CO₂ leichter in etwas kühleren Zonen oder auf den Oberflächen von Teilchen in Form von Eis zurückgehalten werden. Diese innere Verteilung steht in direktem Zusammenhang mit dem Temperaturprofil, den Akkretionsraten und der turbulenten Durchmischung in der Scheibe.

Schnelle Evolution im frühen Alter des Systems

Das Alter des Systems von etwa 2 Millionen Jahren unterstreicht, wie sehr sich die Chemie in kurzen kosmischen Intervallen ändert. In dieser Zeit verklumpt der Staub, es entstehen Planetesimale, und die Scheibe verliert langsam Gas durch Photoevaporation und Akkretion auf das Zentralobjekt. Die Tatsache, dass die stellare Scheibe gleichzeitig ausgeprägte Spuren von Wasser aufweist, während die Scheibe um den Planeten kohlenwasserstoffdominant ist, deutet auf unterschiedliche Quellen der Materiezufuhr und unterschiedliche UV-Umgebungen hin, die die Chemie auf entgegengesetzte Weise „kochen“.

Was uns Entfernung und Anordnung sagen

CT Cha b und sein Stern sind um etwa 74.000.000.000 km voneinander getrennt – eine Zahl, die in astronomische Einheiten umgerechnet etwa 495 AE beträgt. Zum Vergleich: Pluto umkreist die Sonne im Durchschnitt in einem Abstand von etwa 39 AE. Eine solch große Trennung vereinfacht die Beobachtung, wirft aber auch Fragen zur Entstehung auf: Ist CT Cha b als Planet in einer weiten Umlaufbahn innerhalb der stellaren Scheibe entstanden oder eher nach dem Szenario eines braunen Zwergs oder eines „gescheiterten Sterns“? Die Antwort liegt genau in der chemischen Zusammensetzung und der Kinematik der Scheibe, die ihn umgibt.

Implikationen für die Bewohnbarkeit von Monden

Sollten sich um CT Cha b tatsächlich Monde bilden, wird ihr anfängliches chemisches Inventar von einem Reichtum an Kohlenstoff geprägt sein. Dies könnte eine Fülle organischer Vorläufer bedeuten, die, wenn sie auf Oberflächen in Form von Eis oder in unterirdischen Ozeanen gelangen, als energetische und chemische Währung für präbiotische Prozesse dienen könnten. Im Sonnensystem sind Missionen zu Europa und Enceladus genau durch die Suche nach den chemischen Bausteinen des Lebens in den entstandenen Monden motiviert.