Ein seltener Komet von außerhalb des Sonnensystems bietet Astronomen einen seltenen Einblick in das Aussehen eines „fremden“ Planetensystems, das in einer völlig anderen Umgebung als dem Sonnensystem entstanden ist. Das Objekt mit dem Namen 3I/ATLAS wurde vor weniger als einem Jahr entdeckt, als es durch unser Sonnensystem reiste. Während Wissenschaftler immer noch nicht wissen, wo genau er entstanden ist, zeigt eine neue Studie der University of Michigan, dass sich der Komet höchstwahrscheinlich in einer ungewöhnlich kalten Region des Universums gebildet hat.
Die Forschung wurde in der neuesten Ausgabe von „Nature Astronomy“ veröffentlicht. Die zentrale Erkenntnis ist, dass das in 3I/ATLAS enthaltene Wasser reich an einer besonderen Art von Wassermolekülen ist, die als „schweres Wasser“ bezeichnet werden und sich durch einen ungewöhnlich hohen Gehalt an Deuterium (schwerem Wasserstoff) auszeichnen. Die Forschung wurde unter anderem von der US-amerikanischen National Science Foundation und der chilenischen Nationalagentur für wissenschaftliche Forschung und Entwicklung gefördert. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass Wissenschaftler durch dieses spezielle Isotopenverhältnis beispiellose chemische „umgekehrte Rückschlüsse“ auf die Entstehungsbedingungen anderer Planetensysteme in der Milchstraße ziehen können.
Wassermoleküle bestehen aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom und haben die chemische Formel H₂O. In gewöhnlichem Wasser enthalten Wasserstoffatome nur ein Proton; Deuterium, ein schwereres Wasserstoffisotop, enthält im Kern sowohl Protonen als auch Neutronen. Die Forscher fanden heraus, dass ein erheblicher Anteil der Wassermoleküle in 3I/ATLAS „deuteriertes Wasser“ war, also schweres Wasser, das Deuterium enthielt. Schweres Wasser kommt auf der Erde und in Kometen im gesamten Sonnensystem vor, aber die Menge in 3I/ATLAS übersteigt bei weitem die bisherigen Beobachtungen.
„Das Verhältnis von Deuterium in schwerem Wasser zu gewöhnlichem Wasserstoff in diesem Kometen ist höher als das, was wir in anderen Planetensystemen und Planetenkometen sehen“, sagte Luis Salazar Manzano, Erstautor der Arbeit und Doktorand am Department of Astronomy der University of Michigan. Die Studie zeigt, dass das Deuterium/Wasserstoff-Verhältnis des Wassers in 3I/ATLAS etwa 30-mal größer ist als das, was für jeden Kometen im Sonnensystem gemessen wird, und etwa 40-mal größer als das, das in den Ozeanen der Erde gefunden wird. Dieses extreme Verhältnis deutet darauf hin, dass es sich in einer extrem kalten Umgebung gebildet hat und weitaus geringere Strahlungswerte abbekommen hat als die lokale Umgebung, als das Sonnensystem jung war.
Das wissenschaftliche Forscherteam wies darauf hin, dass chemische Verhältnisse wie Deuterium/Wasserstoff im Wasser wichtige „Fingerabdrücke“ für das Verständnis der Bedingungen für die Entstehung von Kometen und Planeten seien. Nach dem Vergleich der chemischen Signaturen von 3I/ATLAS mit Objekten im Sonnensystem kamen die Forscher zu dem Schluss, dass der Komet wahrscheinlich in einer interstellaren Region geboren wurde, in der die Temperaturen kühler und die Strahlung schwächer waren. „Dies beweist, dass die Bedingungen, die zur Entstehung unseres Sonnensystems beigetragen haben, keine universelle Vorlage im Universum sind.“ Teresa Paneque-Carreño, eine der Co-Leiterinnen des Papiers und Assistenzprofessorin für Astronomie an der University of Michigan, betonte: „Das mag offensichtlich klingen, aber viele scheinbar ‚offensichtliche‘ Urteile in der Wissenschaft müssen einzeln durch Daten bestätigt werden.“
Um eine so detaillierte chemische Analyse eines interstellaren Besuchers durchzuführen, ist auch Glück entscheidend. Erstens muss 3I/ATLAS früh genug im Sonnensystem entdeckt werden, damit Astronomen die Beobachtungszeit großer Teleskope rechtzeitig nutzen können. Nach Abschluss der ersten Bestätigung beantragten Salazar Manzano und sein Team erfolgreich Beobachtungszeit am MDM-Observatorium in Arizona, USA, wo sie einige der frühesten Anzeichen des vom Kometen freigesetzten Gases festhielten.
Anschließend arbeitete er mit Panek-Carreño zusammen, der sich auf Studien zur molekularen Zusammensetzung mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA)-Teleskop in Chile spezialisiert hat. ALMA ist empfindlich genug, um die schwachen Signalunterschiede zwischen gewöhnlichem Wasser und deuteriertem schwerem Wasser zu unterscheiden, sodass das Team das Verhältnis zwischen beiden direkt berechnen kann. Wissenschaftler betonen, dass dies das erste Mal ist, dass eine solche Feinwasserisotopenanalyse erfolgreich an einem interstellaren Objekt durchgeführt wurde.
„Der Aufenthalt an der University of Michigan und der Zugang zu diesen Einrichtungen sind der Schlüssel zur Ermöglichung dieser Arbeit“, sagte Salazar Manzano. Er sagte, dass die Teammitglieder über umfangreiche Erfahrungen und komplementäre Stärken in mehreren Bereichen verfügen, was es ihnen ermöglicht, verschiedene Beobachtungsdaten effizient zu integrieren und physikalische Erklärungen zu geben, die Tests standhalten.
Bisher hat die astronomische Gemeinschaft nur drei interstellare Besucher im Sonnensystem bestätigt, einer davon ist 3I/ATLAS. Die Forscher glauben, dass diese Studie zeigt, dass eine chemische „physikalische Untersuchung“ interstellarer Objekte in Zukunft durchaus möglich ist, solange die Beobachtungsbedingungen dies zulassen, was ein neues Fenster zum Verständnis des Entstehungsprozesses verschiedener Planetensysteme in der Milchstraße öffnen wird. Mit der Inbetriebnahme einer neuen Generation von Himmelsbeobachtungseinrichtungen wird erwartet, dass die Entdeckung solcher interstellarer Besucher erheblich zunehmen wird.
Panek-Carreño betonte auch, dass die Bedeutung des Schutzes des dunklen Nachthimmels und der Reduzierung der Lichtverschmutzung von Tag zu Tag wachse. Nur bei einem ausreichend klaren und dunklen Himmelshintergrund können Astronomen diese schwachen Signale aus dem Weltraum weiterhin erfassen.