Dunkelwolken: Duisburger Forscher blicken erstmals in die Kinderstube der Sterne

– 264 °C und völlige Finsternis: Unter diesen Bedingungen entstehen in kosmischen Dunkelwolken wie Barnard 68 neue Sterne. Was genau diesen Prozess antreibt, war jahrzehntelang Gegenstand der Forschung.

Nun hat ein internationales Team mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops nach eigenen Angaben erstmals direkt gemessen, wie kosmische Strahlung das Gas in der Wolke beeinflusst. Die astrochemischen Modelle dafür lieferte Dr. Brandt Gaches von der Universität Duisburg-Essen.

Was sind Dunkelwolken?

Ein Beispiel für Dunkelwolken ist Barnard 68: ein kosmisches Gebilde, das rund 500 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Schlangenträger schwebt. Barnard 68 ist eine Region aus verdichtetem Gas und Staub. Die Verdichtung ist so hoch, dass kein Licht hindurchdringt. Auf Fotos wirkt Barnard 68 daher wie ein schwarzes Loch inmitten des Sternenmeers.

Ein weiteres bekanntes Beispiel für Dunkelwolken ist der Pferdekopfnebel im Sternbild Orion. Seine Silhouette entsteht, weil der dichte Staub das Licht dahinter verschluckt. Barnard 68 funktioniert nach demselben Prinzip, ist aber kompakter und vollständig lichtundurchlässig. Im Inneren der Dunkelwolken herrschen gerade einmal 9 K, also – 264 °C.

Wie entstehen dort Sterne?

Was treibt diesen Prozess an, wenn weder Licht noch Wärme vorhanden sind? Die Antwort lautet: kosmische Strahlung. Gemeint sind hochenergetische, geladene Teilchen, die sich mit enormer Geschwindigkeit durchs All bewegen. Woher genau sie kommen, ist eine der großen offenen Fragen der Astrophysik. Am Südpol versucht der riesige IceCube-Detektor, ihre Quellen mithilfe von Neutrinos aufzuspüren. Diese entstehen nämlich an denselben kosmischen Ursprungsorten.

Die Teilchen durchdringen selbst die extrem verdichteten Dunkelwolken. Wenn sie darin auf Gasmoleküle treffen, reißen sie Elektronen aus deren Hülle. Wie genau dieser als „Ionisation“ genannte Vorgang aber die Bildung von Sternen anregt, ließ sich bislang nur schätzen.

Was man wusste: Die Ionisation setzt chemische Reaktionen in Gang und beeinflusst die Temperatur der Gase. Damit steuert sie letztlich, ob und wie schnell ein neuer Stern entsteht. Die Effekte sind zum Teil erstaunlich: In einer interstellaren Wolke im Inneren der Milchstraße wiesen Forschende kürzlich ein bislang unbekanntes Molekül nach, einen Schwefelring mit 13 Atomen.

Die sogenannte Ionisationsrate – also wie häufig kosmische Strahlung ein Gasmolekül ionisiert – ist aufgrund ihrer erstaunlichen Effekte einer der wichtigsten Parameter in der Astrophysik. Bislang konnte jedoch niemand diese Rate direkt messen.

Wie Forscher die Ionisationsrate bislang maßen

Forschende mussten sich stattdessen mit indirekten Methoden behelfen. Sie beobachteten seltene Moleküle, die als Nebenprodukte der Ionisation entstehen, und versuchten davon ausgehend die Stärke der kosmischen Strahlung zu ermitteln. „Doch solche Modelle hängen von vielen Annahmen ab – über Dichte, Temperatur und Reaktionswege – und führen zu stark schwankenden Ergebnissen“, kommentiert Dr. Brandt Gaches von der Universität Duisburg-Essen.

Allerdings existierte schon lange die Theorie, dass kosmische Strahlung auch ein schwaches Infrarotleuchten erzeugen müsste. Indes war bislang kein Teleskop empfindlich genug, um dieses Signal aufzufangen.

James Webb macht das Unsichtbare sichtbar

Gaches‘ Team, dessen Leitung das Technion Israel Institute of Technology innehatte, richtete eines der empfindlichsten Instrumente der Menschheit auf Barnard 68: das Infrarot-Spektrometer des James-Webb-Weltraumteleskops. Erst Ende Januar hatte Webb Dunkle Materie in einer völlig neuen Detailtiefe kartographiert.

In der Dunkelwolke detektierte das Teleskop drei schwache Infrarotlinien, die nach Angaben der Forschenden von direkt angeregten Wasserstoffmolekülen stammen. Dabei handelt es sich um jenes Signal, das Theoretiker zuvor vorhergesagt hatten.

Wie die Universität Duisburg-Essen mitteilte, ist dieser direkte Nachweis damit erstmals gelungen. Gaches, der die astrochemischen Modelle der kosmischen Strahlungschemie für die Studie beisteuerte, leitet an der Ruhrgebietsuniversität die Emmy-Noether-Forschungsgruppe „Towards the Next Generation in Cosmic Ray Astrochemistry“.

Was bedeutet das?

Die Messung könnte einen völlig neuen Zugang zur Erforschung von Gebieten eröffnen, in denen Sterne entstehen. Jahrzehntelang mussten Forschende die Wirkung kosmischer Strahlung aus Modellen ableiten. Jetzt haben sie erstmals ein direktes Messinstrument. Das ist so, als hätte man die Außentemperatur jahrelang anhand der Kleidung von Passanten abgelesen, und nun ein Thermometer bekommen.

Eine Folgestudie, die derzeit zur Veröffentlichung vorbereitet wird, soll die neuen Daten schon nutzen. Ziel ist, zu messen, wie schnell kosmische Strahlung in Dunkelwolken Energie verliert. Den Wissenschaftlern wurde nach eigenen Angaben bereits weitere Beobachtungszeit am James-Webb-Teleskop genehmigt. Als Nächstes wollen sie eine weitere nahegelegene Dunkelwolke untersuchen.

Die Ergebnisse sind im Fachjournal Nature Astronomy erschienen.