JWST weist Methan auf dem interstellaren Objekt 3I/ATLAS nach

JWST charakterisiert interstellares Objekt 3I/ATLAS und weist Methan sowie unterirdische flüchtige Stoffe nach

Das James Webb Space Telescope (JWST) hat einen bedeutenden Meilenstein bei der Untersuchung extrasolarer Besucher erreicht, indem es die erste mittelinfrarotspektroskopische Analyse des interstellaren Objekts 3I/ATLAS durchgeführt hat. Dieser dritte bestätigte Besucher von außerhalb unseres Sonnensystems hat Astronomen einen seltenen, detaillierten Einblick in die chemische Zusammensetzung eines Körpers gewährt, der in einer fernen, fremden Umgebung entstanden ist. Unter Verwendung des Mid-Infrared Instrument (MIRI) des Teleskops beobachtete ein Forschungsteam um Matthew Belyakov, Ian Wong und Bryce T. Bolin das Objekt nach seinem Perihel und erfasste Daten, die auf eine komplexe Geschichte thermischer Prozesse und die Erhaltung alter, unterirdischer flüchtiger Stoffe hindeuten. Die Ergebnisse, die während der Beobachtungen im Dezember 2025 gewonnen wurden, stellen einen Paradigmenwechsel in unserer Fähigkeit dar, die Bausteine anderer Sternensysteme zu untersuchen.

Die Ankunft von 3I/ATLAS folgt den Spuren des rätselhaften 1I/‘Oumuamua und des eher traditionell kometenhaften 2I/Borisov. 3I/ATLAS bot jedoch aufgrund seines orbitalen Timings und der beispiellosen Empfindlichkeit des JWST eine einzigartige Gelegenheit zur Charakterisierung. Kinematische Analysen deuten darauf hin, dass dieses Objekt wahrscheinlich aus der dicken Scheibe der Milchstraße stammt, einer Region, die von alten Sternen bevölkert ist, und sich unserem Sonnensystem aus der Richtung des Sternbilds Schütze näherte. Durch die Untersuchung solcher Objekte können Wissenschaftler feststellen, ob die chemischen Baupläne unseres eigenen Sonnensystems typisch sind oder ob wir Außenseiter in der galaktischen Nachbarschaft sind. Die Beobachtungen von 3I/ATLAS wurden in heliozentrischen Entfernungen von 2,20 und 2,54 AE durchgeführt und boten ein Fenster in das Ausgasungsverhalten des Objekts, als es seine lange Reise zurück in die interstellare Leere antrat.

Die wissenschaftliche Bedeutung von 3I/ATLAS und seine Signatur flüchtiger Stoffe

Um den chemischen Fingerabdruck von 3I/ATLAS zu erfassen, setzten die Forscher das Medium-Resolution Spectrometer (MRS) des MIRI-Instruments des JWST ein. Dies ermöglichte den Nachweis spezifischer Fluoreszenzmerkmale über den Wellenlängenbereich von 5 bis 28 Mikrometern. Zu den wichtigsten Entdeckungen gehörte der klare Nachweis der \(\nu_2\)-Bande von Wasserdampf zwischen 5,8 und 7,0 Mikrometern sowie der primären \(\nu_2\)- und der damit verbundenen heißen Banden von Kohlendioxid (CO₂), die um 15 Mikrometer zentriert sind. Diese Messungen enthüllten ein bemerkenswertes chemisches Profil: 3I/ATLAS weist ein ungewöhnlich hohes CO₂-zu-Wasser-Verhältnis von etwa 8:1 auf. Dieses Verhältnis ist deutlich höher als bei typischen Kometen des Sonnensystems beobachtet, was darauf hindeutet, dass sich das Objekt in einer mit Kohlendioxid angereicherten Region oder möglicherweise unter spezifischen Strahlungsbedingungen gebildet hat, die seine ursprüngliche Chemie veränderten.

Jenseits der standardmäßigen flüchtigen Stoffe zeigten die MIRI-Spektren auch einen verbotenen Übergang von atomarem Nickel bei 7,507 Mikrometern. Das Vorhandensein solcher Schwermetalldämpfe in einer kometaren Koma ist ein Phänomen, das erst kürzlich bei Kometen im Sonnensystem erkannt wurde, und sein Nachweis in einem interstellaren Objekt unterstreicht die Gemeinsamkeit bestimmter thermischer Prozesse in verschiedenen Sternensystemen. Das Team beobachtete zudem eine ausgedehnte Quelle der Wasserproduktion innerhalb der kernnahen Koma, was darauf hindeutet, dass das Ausgasen nicht nur vom Kern selbst stammt, sondern auch von Eiskörnern, die in der Koma mitgeführt werden. Dieses Phänomen der „ausgedehnten Quelle“ liefert Hinweise auf die physikalische Struktur von 3I/ATLAS und deutet auf eine fragile, eisige Zusammensetzung hin, die bei Erwärmung Material verliert.

Durchbruch beim Nachweis von Methan und unterirdischen Materialien

Das vielleicht bahnbrechendste Ergebnis der JWST-Kampagne ist der erste direkte Nachweis von Methan (CH₄) in einem interstellaren Objekt. Methan ist eine hochflüchtige Spezies, die aufgrund der solaren Erwärmung oft aus den Oberflächenschichten kometarer Körper abgereichert ist. Im Fall von 3I/ATLAS stellten die Forscher einen verzögerten Beginn der Methanproduktion im Verhältnis zu Wasser fest. Dies deutet darauf hin, dass das Methan nicht an der unmittelbaren Oberfläche vorhanden war, sondern in unverarbeitetem unterirdischem Material eingeschlossen war. Als die Wärme der Sonne während der Perihelpassage tiefer in das Objekt eindrang, wurden diese „frischen“ flüchtigen Stoffe freigesetzt und boten einen Einblick in das ursprüngliche Material, das seit der Entstehung des Objekts vor Millionen oder Milliarden von Jahren unverändert geblieben ist.

Diese Entdeckung beantwortet eine langjährige Frage bezüglich des Vorhandenseins von Methan auf interstellaren Objekten. Während frühere Beobachtungen von 2I/Borisov auf verschiedene kohlenstoffhaltige Moleküle hindeuteten, bestätigt die direkte Identifizierung von CH₄ in 3I/ATLAS, dass diese interstellaren Reisenden die notwendigen organischen Vorläuferstoffe für eine komplexe Chemie in sich tragen. Das angereicherte CH₄:H₂O-Verhältnis unterscheidet 3I/ATLAS im Vergleich zur Basislinie von Kometen der Oortschen Wolke weiter als eine chemisch eigenständige Entität. Das Auftauchen von unterirdischem Methan dient als „thermische Uhr“, die die Geschichte darüber erzählt, wie die äußersten Schichten des Objekts durch interstellare Strahlung und frühere Erwärmungsereignisse verändert wurden, während sein Inneres eine kryogene Zeitkapsel aus einer anderen Welt blieb.

Vergleichende Planetologie und die Dynamik des Ausgasens von 3I/ATLAS

Die JWST-Beobachtungen wurden in zwei verschiedene Epochen unterteilt, die im Dezember 2025 zwölf Tage auseinanderlagen. Dieses Timing ermöglichte es dem Forschungsteam, die Entwicklung der Aktivität des Objekts zu verfolgen, während es sich weiter von der Sonne entfernte. Interessanterweise zeigten die Daten eine signifikante Verringerung der gesamten Ausgasung über diesen kurzen Zeitraum. Bemerkenswerterweise sank die gemessene Wasseraktivität stärker als bei den anderen gasförmigen Spezies. Dieses differenzielle Ausgasen liefert kritische Daten über die Flüchtigkeit der beteiligten Materialien; während die Oberfläche abkühlt, ist Wasser – das mehr Energie zur Sublimation benötigt als CO₂ oder CH₄ – die erste Komponente, bei der ein Rückgang der Produktion zu verzeichnen ist. Dieses Verhalten festigt den Status von 3I/ATLAS als einen an flüchtigen Stoffen hochgradig reichen Körper im Vergleich zu den eher „gemäßigten“ Kometen im inneren Sonnensystem.

Beim Vergleich von 3I/ATLAS mit lokalen Kometen bleibt der deutlichste Unterschied die Kohlendioxid-Anreicherung. Während bei den meisten Kometen der Oortschen Wolke Wasser der dominante flüchtige Stoff ist, scheint 3I/ATLAS von Kohlenstoffoxiden dominiert zu werden. Diese chemische Signatur könnte auf eine Entstehungsumgebung in einer protoplanetaren Scheibe um einen Stern hindeuten, der kühler als unsere Sonne ist, oder vielleicht in einer Region einer Scheibe, in der CO₂-Eis gegenüber Wassereis dominieren konnte. Die Forscher vermuten, dass 3I/ATLAS in einer Übergangszone zwischen der dünnen und der dicken Scheibe der Galaxie entstanden sein könnte, potenziell innerhalb einer primordialen Planetesimal-Scheibe oder einer Exo-Oortschen-Wolke, die durch Sternbegegnungen gestört wurde.

Zukünftige Richtungen in der interstellaren Forschung

Die erfolgreiche Charakterisierung von 3I/ATLAS markiert den Beginn einer neuen Ära in der „fremden“ Astronomie. Durch die Etablierung einer chemischen Basislinie für interstellare Besucher liefert das JWST die Daten, die notwendig sind, um genauere Modelle darüber zu erstellen, wie Planetensysteme in der gesamten Galaxie entstehen und sich entwickeln. Das Vorhandensein von Methan, Kohlendioxid und atomarem Nickel in einem einzigen interstellaren Körper deutet darauf hin, dass die Vielfalt dieser Objekte noch größer sein könnte als bisher angenommen. Jeder neue Besucher liefert eine „kostenlose“ Probe eines fernen Sonnensystems und erspart uns die unmögliche Reise über Lichtjahre hinweg, um sie zu erreichen.

Mit Blick auf die Zukunft bereitet sich die wissenschaftliche Gemeinschaft auf einen Anstieg solcher Entdeckungen vor. Es wird erwartet, dass das kommende Vera C. Rubin Observatory mit seinem Legacy Survey of Space and Time (LSST) viele weitere interstellare Objekte aufspüren wird, wenn sie in unsere Nachbarschaft eintreten. Da das JWST die hochauflösende Fähigkeit zur Nachverfolgung bietet, werden Astronomen bald von der Untersuchung einzelner Kuriositäten wie 3I/ATLAS zu statistischen Erhebungen der interstellaren chemischen Vielfalt übergehen. Dieses wachsende Verständnis darüber, wie flüchtige Stoffe über die gewaltigen Entfernungen des Weltraums hinweg erhalten bleiben, wird uns letztlich helfen, den Ursprung der Bausteine des Lebens und die Häufigkeit bewohnbarer Umgebungen in der gesamten Milchstraße zu verstehen.