Festkörperwasser innerhalb der Schneelinie in planetenbildenden Scheiben: Erforschung des Ursprungs von Wasser auf terrestrischen Planeten

Abstract

Über den Ursprung des Wassers auf der Erde und auf Gesteinsplaneten herrscht große Unsicherheit. Die Rolle des Wassers bei der Planetenentstehung und in der Chemie protoplanetarer Scheiben zu verstehen, ist eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis der atmosphärischen Zusammensetzung von Planeten und des Ursprungs von Leben auf der Erde und möglicherweise auf extrasolaren Planeten. Der Nachweis von Molekülen in protoplanetaren Scheiben bildet eine Brücke zwischen der chemischen Entwicklung des interstellaren Mediums und der Chemie von Planeten und ihren Atmosphären. Die Anzahl der Moleküle, die in Eismassen in astrophysikalischen Umgebungen nachgewiesen werden können, ist jedoch noch sehr begrenzt. Das Hauptziel des Projekts bestand darin, durch Beobachtungen nachzuweisen, dass Wasser im festen Zustand innerhalb der Wasserschnee-Linie in protoplanetaren Scheiben vorhanden ist, und seine Menge zu quantifizieren. Das zweite Ziel war der Nachweis komplexer organischer Moleküle, um die chemische Komplexität planetarer Scheiben aufzuzeigen. Hierfür analysierten wir Daten des James Webb Space Telescope (JWST), die im Rahmen des Projekts "Solid-state water inside the snowline in planet-forming disks: exploring the origin of water on terrestrial planets" (ID 1741, PI Potapov) gewonnen wurden. Wir analysierten die JWST-Daten für die Orion-Scheibe 216-0939. Wir lieferten den ersten Beobachtungsnachweis für Wasser im festen Zustand innerhalb der Wasserschnee-Linie in protoplanetaren Scheiben. Die geschätzte H2O-Konzentration innerhalb der Schneegrenze ist vergleichbar mit der der heutigen Erde und stimmt mit Messungen an Enstatit-Chondriten-Meteoriten überein. Wenn unsere Ergebnisse verallgemeinert werden, würde dies bedeuten, dass die meisten Planeten der bewohnbaren Zone mit einem Wasserhaushalt geboren werden, der mit dem der Erde vergleichbar ist. In der Scheibe 216-0939 konnten wir eindeutig H2O, CO2, 13CO2, CO, OCN- und amorphe Silikate sowie Spuren von OCS nachweisen; und zum ersten Mal in protoplanetaren Scheiben NH4+ und das komplexe organische Molekül Ammoniumcarbamat, NH4+NH2COO-. Wir haben auch die sehr wichtige Rolle der Streuung bei der Analyse von Beobachtungsspektren von stark geneigten Scheiben gezeigt. There is considerable uncertainty regarding the origin of water on Earth and rocky planets. Understanding the role of water in planet formation and in the chemistry of protoplanetary disks is a key requirement to understand the atmospheric composition of planets and the origins of life on Earth and, potentially, on extrasolar planets. Detection of molecules in protoplanetary disks provides a bridge between the chemical evolution of the interstellar medium and the chemistry of planets and their atmospheres. However, the number of molecules detected in ices in astrophysical environments is still very limited. The main goal of the project was to find observational evidence of water being present in the solid state inside the water snowline in planet-forming disks and to quantify its amount. The second, interconnected goal of the project was to find observational evidence of complex organic molecules to reveal the chemical complexity of planet-forming disks. To reach the goals, we analysed the James Webb Space Telescope (JWST) data obtained within the framework of the project "Solid-state water inside the snowline in planet-forming disks: exploring the origin of water on terrestrial planets" (ID 1741, PI Potapov). We analysed the JWST data for the 216-0939 Orion disk. We provided first observational evidence of solid-state water inside the water snowline in protoplanetary disks. The estimated concentration of H2O inside the snowline is similar to that of the present-day bulk Earth and consistent with measurements of enstatite chondrite meteorites. If generalized, our results would imply that most habitable zone planets are born with water budgets comparable to Earth’s. In the 2016-0939 disk, we unambiguously detected H2O, CO2, 13CO2, CO, OCN-, and amorphous silicates, and tentatively 13CO and OCS; and for the first time in protoplanetary disks NH4+ and complex organic molecule ammonium carbamate, NH4+NH2COO−. We also showed the very important role of scattering in the analysis of observational spectra of highly inclined disks.