James Webb vindt voor het eerst bevroren water in een jong sterrenstelsel

Eerder was de nevel al aangetroffen in de ringen van Saturnus en ijzige lichamen in de Kuipergordel van ons zonnestelsel, maar nog nooit op een plek als deze. Een internationaal team van onderzoekers, waaronder astrofysicus Noemí Pinilla van de Universiteit van Oviedo en het Instituut voor Ruimtewetenschappen en Technologieën van Asturië (ICTEA), heeft voor het eerst kristallijn waterijs ontdekt in een schijf van stoffig puin rond een jonge, zonachtige ster. Het toekomstige stersysteem, gelegen op een afstand van 155 lichtjaar, werd waargenomen met de James Webb-ruimtetelescoop van NASA. De ontdekking "versterkt het idee dat er mogelijk niet alleen leven is op onze planeet of in onze buurt, maar overal in het heelal waar vergelijkbare omstandigheden heersen", vertelde Pinilla aan deze krant.

Astronomen wachten al tientallen jaren op deze ‘onweerlegbare’ gegevens. In 2008 wezen waarnemingen van de Spitzer-ruimtetelescoop van NASA al op de mogelijkheid van bevroren water in dit systeem, maar pas nu heeft de James Webb-ruimtetelescoop het "ondubbelzinnig" gedetecteerd, aldus Chen Xie, wetenschapper aan de Johns Hopkins-universiteit in Baltimore, Maryland (VS) en hoofdauteur van het artikel dat woensdag is gepubliceerd in het tijdschrift 'Nature'. Al het gedetecteerde bevroren water gaat gepaard met fijne stofdeeltjes verspreid over de schijf, als "vuile sneeuwballen".

De ster, gecatalogiseerd als HD 181327, is aanzienlijk jonger dan onze zon. Geschat wordt dat de leeftijd van de ster 23 miljoen jaar is, terwijl onze ster 4,6 miljard jaar oud is. Het is ook iets massiever en heter, waardoor er een iets groter systeem omheen is ontstaan.

De waarnemingen van Webb bevestigen dat er een grote kloof bestaat tussen de ster en zijn stofschijf; een groot gebied waar geen stof zit. Die schijf is vergelijkbaar met onze eigen Kuipergordel, waar dwergplaneten, kometen en andere stukken ijs en gesteente soms op elkaar botsen. Miljarden jaren geleden zag onze Kuipergordel er waarschijnlijk uit als de puinschijf van deze ster. "Het is alsof je ons zonnestelsel miljarden jaren geleden ziet, in zijn kosmische kindertijd", zegt Pinilla,

"HD 181327 is een zeer actief systeem", aldus Chen. Er vinden regelmatig botsingen plaats in de puinschijf. Wanneer deze ijzige lichamen botsen, komen er minuscule deeltjes stoffig waterijs vrij die precies de juiste grootte hebben om door Webb te worden gedetecteerd.

Het waterijs is niet gelijkmatig verdeeld over het systeem. Het grootste deel, 20%, bevindt zich op de koudste en verste plekken van de ster. Maar hoe beter de onderzoekers keken, hoe minder waterijs ze vonden. In het midden van de puinschijf ontdekte Webb ongeveer 8% waterijs. Hier is het waarschijnlijk dat de productie van bevroren waterdeeltjes iets sneller verloopt dan de vernietiging ervan. In het gebied van de puinschijf dat het dichtst bij de ster ligt, werden er vrijwel geen gedetecteerd. Het ultraviolette licht van de ster verdampt waarschijnlijk de nabijgelegen stofdeeltjes, of het wordt vastgehouden door planetesimalen.

Waterijs is een belangrijk ingrediënt in de schijven rond jonge sterren. Het heeft grote invloed op de vorming van reuzenplaneten en kan ook door kleine lichamen als kometen en asteroïden worden getransporteerd naar volledig gevormde rotsachtige planeten. En met water groeit de hoop op leven in andere uithoeken van het heelal.

"Voor zover wij weten, is de kans op leven groter als er vloeibaar water en koolstofmoleculen zijn", aldus Pinilla. "In ons zonnestelsel zoeken we naar tekenen van leven op ijzige satellieten, zoals Europa (de maan van Jupiter), waar zich oceanen van vloeibaar water onder de structurele ijslaag bevinden. Nu we de aanwezigheid van waterijs, en waarschijnlijk ook koolstofhoudend moleculair ijs, hebben bevestigd, weten we dat er mogelijk ijzige planetesimalen bestaan ​​die vergelijkbaar zijn met de oceaanplaneten in ons zonnestelsel, en dat de botsingen die dit ijzige stof veroorzaken, de kiemen van leven naar warmere, rotsachtige planeten zouden kunnen sturen", zegt hij.

Hij legt uit: "Als er al reuzenplaneten in een puinschijf zijn gevormd, kunnen er zich nog steeds ijzige planeten of hun manen vormen. Deze ontdekking vertelt ons dat de planeetvorming die we in ons zonnestelsel theoretiseren een universeel proces zou kunnen zijn, dat veel voorkomt bij exoplaneten."

Nu Webb waterijs heeft ontdekt, kunnen onderzoekers op nieuwe manieren bestuderen hoe deze processen zich in veel andere planetenstelsels afspelen. Noemí Pinilla kwam in oktober naar ICTEA met een ATRAE-subsidie ​​om Spaanse onderzoekers naar het buitenland te halen. Hij hoopt dat er meer studenten aan zijn groep worden toegevoegd.

Hoewel hij oorspronkelijk geen deel uitmaakte van dit onderzoeksteam, bleek zijn ervaring met het bestuderen van het zonnestelsel, met name van ijzige objecten, relevant en noodzakelijk voor de interpretatie van hun gegevens. Toen de hoofdonderzoeker de verkregen spectra bestudeerde, ontdekte hij kenmerken die wezen op de aanwezigheid van een schijf van ijzige planetesimalen, die sterk leek op de schijf die in vroegere tijden de trans-Neptuniaanse gordel en representatieve objecten zoals Pluto deed ontstaan. Toen wendde ze zich tot de Asturische onderzoeker om samen te werken aan de spectrale interpretatie, gezien haar ervaring met kleine lichamen in het zonnestelsel.

Volgens de astrofysicus is de James Webb-ruimtetelescoop een 'wensmachine' voor de wetenschap geworden, die veel van de hypothesen die decennialang de verkenning van de kosmos stuurden, omzet in echte gegevens en detecties. "Webb overbrugt de kloof tussen belangrijke niveaus en stadia van planetaire vorming, van het interstellaire medium en moleculaire wolken tot protoplanetaire schijven, exoplaneten en uiteindelijk ons ​​eigen zonnestelsel", benadrukte hij.