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James-Webb zeigt, wie Gasklumpen chemische Prozesse in Sternenwiegen prägen
Kosmische Schattenspiele: Das Licht junger Sterne verändert die Moleküle in den Wolken, aus denen weitere Sterne entstehen. Ein dreidimensionales Modell einer der Orion-Bar nachempfundenen Gaswolke zeigt nun, wie dichte Bereiche Strahlung abschirmen und chemische Grenzflächen verformen. Das könnte erklären, warum das James-Webb-Weltraumteleskop dort Bögen und fadenartige Strukturen sieht, die einfache Modelle kaum nachbilden können.
Duisburg (Deutschland). Sterne entstehen in kalten Wolken aus Gas und Staub. Doch sobald junge, massereiche Sterne kräftig leuchten, verändern sie ihre Umgebung: Ultraviolettes Licht zerlegt Moleküle, erwärmt das Gas und löst zahlreiche chemische Reaktionen aus. Solche bestrahlten Randzonen heißen Photodissoziationsregionen.
Eine davon ist die rund 1.350 Lichtjahre entfernte Orion-Bar im Orionnebel. Wir sehen sie fast von der Seite, sodass sich ihre unterschiedlich stark bestrahlten Schichten gut beobachten lassen. Aufnahmen des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) zeigen dort allerdings keine glatte Grenze, sondern verschachtelte Bögen und Filamente.
Herkömmliche Modelle beschreiben solche Wolken oft als Abfolge eindimensionaler Schichten. Doch die komplexen Strukturen der Orion-Bar und ihre chemischen Übergänge lassen sich damit nur eingeschränkt erklären. Forscher der Universität Duisburg-Essen (UDE) um Dr. Brandt A. L. Gaches haben deshalb ein dreidimensionales Modell entwickelt, das die räumliche Verteilung des Gases berücksichtigt.
Für ihre Berechnungen haben die Forscher keine exakte Kopie der Orion-Bar geschaffen, sondern eine ihr nachempfundene Wolke mit unterschiedlich großen Verdichtungen. In acht Varianten untersuchten sie, wie weit ultraviolette Strahlung in das unregelmäßige Gas eindringt und welche Reaktionen dort ablaufen. Dazu erweiterten sie eine bestehende Software für die Astrochemie um neue Berechnungsverfahren.
Besonders aufwendig ist es, die Ausbreitung der Strahlung aus vielen Richtungen durch das dreidimensionale Gas zu verfolgen. Erst ein effizienterer Algorithmus machte die hochaufgelösten Rechnungen praktikabel.
„Wir haben einen neuen, besonders effizienten Algorithmus entwickelt, um diesen rechnerischen Engpass zu überwinden. Dadurch konnten wir die Orion Bar erstmals dreidimensional mit einer bisher unerreichten räumlichen Auflösung modellieren“, erklärt Dr. Zhengping Zhu vom Zhejiang Lab.
Die Simulationen zeigen ausgeprägte Schatten hinter dichten Gasansammlungen. Dort trifft weniger energiereiches Sternenlicht ein, sodass das Gas kühler bleibt und Moleküle unter anderen Bedingungen bestehen können. Durch weniger dichtes Material dringt die Strahlung dagegen tiefer vor und verschiebt so die Grenzen zwischen verschiedenen chemischen Zonen.
Besonders auffällig ist die Übergangszone zwischen einzelnen Wasserstoffatomen und molekularem Wasserstoff (H₂). In ihrer Nähe wandeln sich auch positiv geladene Kohlenstoffionen (C⁺) in neutrale Atome um. Im dreidimensionalen Modell liegen diese beiden chemischen Fronten oft nahezu übereinander. Stellenweise reicht die Kohlenstofffront sogar näher an die bestrahlte Außenseite heran als die Wasserstofffront.
Solche räumlichen Überlagerungen sind bereits aus astronomischen Beobachtungen bekannt. Das neue Modell liefert nun eine mögliche Erklärung: Weil dichte Klumpen die Strahlung unterschiedlich stark abfangen, entstehen verwinkelte Grenzflächen und geschützte Taschen innerhalb der Gaswolke. Auf projizierten Karten der Wasserstoffstrahlung erscheinen diese Strukturen als Bögen und Filamente.