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Infrarotspektroskopie: Auf Wassersuche im Weltall

Wasser am "hot spot"
Hält man sich vor Augen, wie mühsam die Suche nach Wasser in unserem Sonnensystem war und immer noch ist, könnte man leicht glauben, Wasser sei außerhalb der Erde sehr selten anzutreffen. So ist es erst nach vielen Anläufen gelungen, Wassereis auf dem Nachbarplaneten Mars nachzuweisen. Doch schaut man weiter in den Raum hinaus, ist das Gegenteil der Fall: H2O ist im Weltall offenbar weit verbreitet. Die Molekülwolken, aus denen Sterne und Planeten entstehen, sind voll davon. Doch nur dort, wo die Temperatur hoch genug ist, lässt sich das Wasser mit Hilfe der Instrumenten des Weltraumobservatoriums Herschel auch nachweisen. Sind die Wolken hingegen zu kalt, friert das Wasser aus und ist für die Spektrografen an Bord des Satelliten unsichtbar.

Wasser am "hot spot" | Auch den Stern L 1157, welcher der jungen Sonne ähnelt, hat Herschel ins Visier genommen (linkes Bild, Mitte). Das Gas, das von ihm aus in zwei Richtungen wegströmt, wird an so genannten ″hot spots″ (farblich markiert) durch Schockwellen aufgeheizt. Davon profitieren die Astronomen: Warmer Wasserdampf lässt sich besonders gut entdecken.
Auf der Jahrestagung der Astronomischen Gesellschaft in Bonn, die in der vergangenen Woche stattfand, stellte Ewine van Dishoeck nun die ersten Ergebnisse eines der bedeutendsten Schlüsselprojekte der Herschel-Forschergruppe vor: WISH, Water in Star-Forming Regions with Herschel. "Wasser eignet sich besonders gut zur Untersuchung der physikalischen Prozesse in diesen Wolken", erklärt die Astronomin der niederländischen Sternwarte Leiden. "Es wird überall dort sichtbar, wo das Gas durch Schockwellen aufgeheizt wird." Etliche solcher ″hot hpots″ sind auch auf den Herschel-Bildern zu erkennen, die die Astronomin in ihrem Vortrag präsentierte. Die Anzeichen für Wasser in den Spektren sei deshalb ein Hilfsmittel zur Entdeckung warmer Molekülwolken, eine Art Thermometer gewissermaßen.

Herschel liefert das "Rohmaterial"

Aber natürlich gebe es weitere Gründe, weswegen sich die Astrophysiker so sehr für dieses Molekül interessieren: Es ist der der wichtigste Speicher für Sauerstoff, der in vielen chemischen Prozessen und insbesondere in der Astrobiologie eine zentrale Rolle spielt. Und erst Wasser schafft überhaupt die Voraussetzung dafür, dass ein Planet zumindest potentiell Leben beherbergen kann. Herschel, auch wenn es vor allem in die Tiefen des Universums blickt, wird also letztlich auch zu verstehen helfen, wie einst das Wasser auf die Erde kam.

Während die Öffentlichkeit meist nur die fertigen, bunt eingefärbten und nicht selten spektakulär schönen Bilder der Weltraumteleskope zu sehen bekommt, zeigt van Dishoeck vor allem das "Rohmaterial". Indessen sind die von Herschel aufgenommenen Spektren und die daraus abgeleiteten Graphen und Diagramme nur von Experten zu entziffern. Ein Spektrum zeigt das Licht in seine Wellenlängen zerlegt, es erscheint wie ein gezeichneter Querschnitt durch ein Gebirge. Jeder Zacken oder "Gipfel" repräsentiert ein chemisches Element oder Molekül. In dem Licht, das uns auf der Erde erreicht, steckt also die gesamte Information über die Stoffe in den fernsten Ecken der Milchstraße.

Unerklärte Wasserfunde um alternden Riesenstern | Der alternde rote Riesenstern CW Leonis produziert Unmengen von Gas und Kohlenstoffstaub. 2001 wurden erstmals Hinweise auf Wasserdampf in seiner ausgedehnten Hülle gefunden, normalerweise sind kohlenstoffreiche Sterne wie dieser aber vor allem von Kohlenmonoxid umgeben. Doch Herschel bestätigte die Funde: Mit seiner Hilfe gelang erstmals der klare Nachweis Dutzender Wasserdampflinien im Spektrum des Sterns. Der Dampf besitzt eine Temperatur von rund 700 Grad Celsius. Nun müssen die Forscher eine neue Hypothese überprüfen: Ist er möglicherweise auf photochemischem Wege durch UV-Strahlung gebildet worden? Die Aufnahme wurde mit dem Very Large Telescope in Chile erstellt; das Spektrum selbst ist nicht gezeigt.
Am besten lassen sich Sternentstehungsgebiete im Licht der Wärmestrahlung, also im Infraroten, beobachten: Die jungen Sterne nämlich heizen die sie umgebenden dichten Staubwolken auf, die das Licht ihrerseits wieder als Infrarotstrahlung emittieren. Sobald es zu uns gelangt ist, wird es allerdings zu großen Teilen von der Erdatmosphäre geschluckt, weshalb man Weltraumteleskope benötigt. Bis aus der Idee zu Herschel allerdings das Werkzeug wurde, das sich die Astronomen gewünscht haben, mussten die Forscher Jahrzehnte warten, berichtet van Dishoeck. Nach der langen Entwicklungszeit sei es darum "eine feine Sache, hier zu stehen und die Daten präsentieren zu können". Jetzt endlich könne man mit Herschel binnen einiger Dutzend Stunden hochaufgelöste Spektren in einem weiten Wellenlängenbereich gewinnen. Für so etwas benötigte man früher, wenn es überhaupt gelang, ein Vielfaches dieser Zeit.

Ein zusammenhängendes Bild aus vielen Momentaufnahmen

Herschel sorgt nicht allein für den Nachweis von Wasser, vielmehr können die Forscher das Molekül über die verschiedenen Stadien der Sternentstehung hinweg verfolgen. Auf diese Weise lassen sich Rückschlüsse über die Entstehung von Sonnensystemen ziehen und die theoretischen Modelle der beteiligten Prozesse testen, um so letztlich im Detail zu verstehen, wie es zur Bildung von Sternen und Planetensystemen kommt. Zwar kann man diese Prozess nicht über Millionen von Jahre hinweg verfolgen, stattdessen beobachten die Forscher aber eine Vielzahl solcher Systeme in unterschiedlichen Entwicklungsphasen und erstellen aus den vielen Momentaufnahmen schließlich ein zusammenhängendes Bild.

Doch das Bild hat noch Lücken. Mit Herschel ist man schon auf einige Überraschungen gestoßen, erzählt van Dishoeck. So fand man in den dunklen Molekülwolken, die sich in einem sehr frühen Stadium der Sternentstehung beobachten lassen, weit weniger Wasser als man vermutet hatte. Das heißt allerdings nicht, dass es dort nicht existiert – vielmehr sind die Wolken zu kalt, weshalb das Wasser ausgefroren ist. Völlig unerwarteterweise entdeckten die Forscher auch ionisiertes Wasser (H2O+). Obwohl dieses Wasserion normalerweise nicht lange stabil ist, enthalten es viele Molekülwolken offenbar in großer Zahl. Warum das so ist, ist bislang ungeklärt. Die Herschel-Daten geben den Astronomen also schon jetzt eine Menge an Hausaufgaben auf. Wenn sie erledigt sind, werden wir besser verstehen, wie sich Sterne und Planeten bilden – und dann auch genauer wissen, wie einst das Wasser auf die Erde kam.

Der Wissenschaftsjournalist Jan Hattenbach betreibt auch den Blog Himmelslichter.

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