Überraschende Entdeckung im Zentrum unserer Galaxie

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Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA, der ESA und der CSA hat ein internationales Astronomenteam entdeckt, dass sich Staub und Wasser überraschend nahe am supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße bilden und dort bestehen können. Die Beobachtungen zeigen, dass der hochentwickelte Stern IRS 3 seine Umgebung trotz der intensiven Strahlungsumgebung um Sagittarius A* weiterhin mit neu gebildetem Material anreichert.

Die neuen Beobachtungen liefern die bislang detaillierteste Darstellung des hochentwickelten Sterns IRS 3 im mittleren Infrarotbereich. IRS 3 befindet sich nur 0,55 Lichtjahre von Sagittarius A* entfernt, dem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße. IRS 3 hat ein Stadium nahe dem Ende seines Lebens erreicht, das als asymptotische Riesenast-Phase bezeichnet wird. Sterne in dieser Lebensphase sind riesig, kühl und leuchtstark und stoßen mit ihren mächtigen Sternwinden Gas in den Weltraum aus. Dieses abgestoßene Sternmaterial ist eine der wichtigsten Quellen für kosmischen Staub, doch war bislang unklar, ob es von einem Stern produziert werden kann, der sich so nahe an einem supermassiven Schwarzen Loch befindet.

Sagittarius A* & IRS3 — Dieses Bild zeigt die Position des hochentwickelten Sterns IRS 3, der sich nur 0,55 Lichtjahre von Sagittarius A*, dem zentralen supermassereichen Schwarzen Loch der Milchstraße, entfernt befindet. – Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, F. Peißker, J. Lu, F. Yusef-Zadeh, N. B. Sabha, C. Chan

Durch die Analyse des Infrarotlichts des Sterns mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) des Webb-Teleskops identifizierte das Forschungsteam eindeutige Signaturen von sauerstoffreichem Staub und wies erstmals Wasser in der Sternhülle nach. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst unter den extremen Bedingungen in der Nähe eines supermassereichen Schwarzen Lochs entwickelte Sterne wie IRS 3 noch Staub und andere Materialien produzieren können, die für die Entstehung zukünftiger Stern- und Planetengenerationen wichtig sind.

„Galaktische Zentren zählen zu den extremsten Umgebungen, daher ist es eine wichtige Frage, ob Sterne dort weiterhin ihre Umgebung mit Staub anreichern können“, sagte Hauptautor Florian Peißker von der Universität zu Köln. „Mit dem Webb-Teleskop können wir direkt beobachten, wie sich Sterne unter diesen Bedingungen verhalten, und sehen, dass die Staubproduktion bemerkenswert stabil bleibt.“

IRS 3 ist eine der hellsten Infrarotquellen im galaktischen Zentrum und fiel schon lange durch seine enorme Staubhülle auf. Frühere Studien deuteten auf einen hohen Kohlenstoffgehalt des Sterns hin, doch die neuen Beobachtungen zeichnen ein anderes Bild. Die Daten des Webb-Teleskops enthüllten zwei starke Infrarotsignaturen, die mit Silikatstaub – einer Mischung aus Silizium und Sauerstoff – in Verbindung stehen. Diese Merkmale identifizieren IRS 3 als einen sauerstoffreichen, entwickelten Stern, der sich dem Ende seines Lebens nähert und Materie ins All abgibt.

„Diese Entdeckung war dank der hochleistungsfähigen Infrarotinstrumente von Webb möglich“, sagte Macarena Garcia Marin von der ESA, Mitautorin der Studie und Projektleiterin des MICONIC-Programms. „Dies ist das erste Mal, dass ein kontinuierliches Spektrum im mittleren Infrarotbereich für diesen Stern erfasst wurde, wodurch wir die Merkmale des Silikatstaubs nachweisen und die wahre chemische Identität des Sterns aufdecken konnten.“

Durch die Kombination von Webbs Beobachtungen des Sternspektrums mit Simulationen der Ausbreitung des abgestrahlten Lichts durch verschiedene Modelle der umgebenden Hülle konnte das Team die Struktur der Sternhülle rekonstruieren. Ihre Ergebnisse deuten auf eine geschichtete, schalenartige Staubverteilung hin, die sich etwa 10.000 Astronomische Einheiten vom Stern erstreckt. Die Temperaturen fallen dabei von etwa 1.200 Kelvin in Sternnähe auf rund 100 Kelvin in den äußeren Bereichen ab. Die Beobachtungen lieferten zudem Hinweise auf Wasser innerhalb der Hülle von IRS 3: der erste eindeutige Nachweis dieser Art für dieses Objekt.

„Der Nachweis von Wasser ist besonders aufregend, weil er zeigt, dass molekulares Material in einer Umgebung mit intensiver Strahlung überleben kann“, sagte Garcia Marin. „Das bedeutet, dass Sterne selbst in der Nähe eines supermassereichen Schwarzen Lochs weiterhin Materie in ihre Umgebung abgeben können.“

Anhand von Beobachtungen und Sternmodellierungen schätzen die Forscher, dass IRS 3 etwa die sechsfache Masse der Sonne besitzt und rund 72 Millionen Jahre alt ist. Der Stern scheint einen starken Massenverlust zu erleiden, wodurch Material ins All geschleudert wird und die von Webb beobachtete ausgedehnte Hülle entsteht. Diese Ergebnisse legen nahe, dass entwickelte Sterne weiterhin eine wichtige Rolle bei der Zufuhr von Staub in galaktische Zentren spielen könnten – Regionen, die man bisher als besonders feindlich gegenüber diesen Prozessen ansah.

Die Beobachtungen wurden im Jahr 2025 im Rahmen des Programms „Mid-Infrared Characterization of Nearby Iconic galaxy Centers (MICONIC) Guaranteed Time Observations“ (#1266) mit dem MIRI– Instrument des Webb ‑Teleskops durchgeführt .

Diese Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics veröffentlicht.

Hintergrundinformationen

Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All gebracht wurde. Im Rahmen einer internationalen Kooperationsvereinbarung stellte die ESA den Startdienst für das Teleskop unter Einsatz der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit ihren Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Anpassungen der Ariane 5 für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den Hauptspektrografen NIRSpec sowie 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI bereit, das von einem Konsortium staatlich finanzierter europäischer Institute (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit dem JPL und der University of Arizona entwickelt und gebaut wurde.

Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (CSA).

Bildnachweis: ESA/Webb, NASA & CSA, F. Peißker, J. Lu, F. Yusef-Zadeh, N. B. Sabha, C. Chan