Das James-Webb-Weltraumteleskop hat in unmittelbarer Nachbarschaft des zentralen Schwarzen Lochs der Milchstraße Wasser aufgespürt. Die Moleküle stecken in der riesigen Staubhülle des sterbenden Sterns IRS 3, der nur 0,55 Lichtjahre von Sagittarius A* entfernt seine äußeren Schichten ins All bläst. Der Nachweis gelang einem internationalen Team unter Leitung der Universität zu Köln und widerlegt die Annahme, dass die extreme Strahlung im Galaktischen Zentrum solche empfindlichen Moleküle sofort zerstören müsste. Damit zeigt sich, dass selbst der unwirtlichste Ort unserer Galaxie Nachschub für neue Sterne und Planeten liefern kann.
Das Zentrum der Milchstraße gilt als eine der extremsten Regionen des Weltalls. In seinem Herzen sitzt Sagittarius A*, ein Schwarzes Loch mit etwa vier Millionen Sonnenmassen, das in rund 26.000 Lichtjahren Entfernung von der Erde liegt. Um dieses Massemonster drängen sich Millionen Sterne auf engstem Raum, dazwischen toben Sternwinde, und intensive Ultraviolett- und Röntgenstrahlung durchflutet die gesamte Umgebung. Genau diese Strahlung kann chemische Verbindungen aufbrechen, weshalb lange unklar war, ob in dieser Region überhaupt frischer kosmischer Staub und empfindliche Moleküle wie Wasser entstehen und bestehen können. Beobachtungen im sichtbaren Licht helfen dabei nicht weiter, denn dichte Staubschleier verdecken das Galaktische Zentrum fast vollständig. Erst der Blick im Infrarotlicht öffnet ein Fenster in diese verborgene Welt.
Im Mittelpunkt der neuen Untersuchung steht der Stern IRS 3, der nur 0,55 Lichtjahre von Sagittarius A* entfernt liegt und schon früher als ungewöhnlich starke Infrarotquelle aufgefallen war. Nach den Modellrechnungen des Teams besitzt er etwa die sechsfache Masse der Sonne und ein Alter von rund 72 Millionen Jahren. Damit hat er das Endstadium seiner Entwicklung erreicht, die sogenannte asymptotische Riesenast-Phase, in der Sterne gewaltig aufblähen, stark pulsieren und ihre äußeren Schichten mit kräftigen Sternwinden ins All schleudern. Das abgestoßene Gas kühlt mit wachsendem Abstand ab, sodass darin Staubkörner kondensieren. Solche sterbenden Riesen zählen zu den wichtigsten Staubfabriken des Universums, doch ob diese Produktion auch direkt neben einem Schwarzen Loch funktioniert, war bislang eine offene Frage.
Für die Analyse nutzte das Team das Mid-Infrared Instrument des Teleskops und nahm erstmals ein durchgehendes Spektrum des Sterns im mittleren Infrarot zwischen 4,9 und 27,9 Mikrometern auf. Darin fanden die Forscher zwei charakteristische Absorptionssignaturen von Silikatstaub, also von sauerstoffreichen Verbindungen aus Silizium und Sauerstoff. Damit ist die chemische Identität von IRS 3 geklärt, denn frühere Vermutungen, es könne sich um einen kohlenstoffreichen Stern handeln, sind damit vom Tisch. Die eigentliche Überraschung steckte jedoch in einem weiteren Detail des Spektrums. Zwischen den Staubsignaturen zeigte sich die eindeutige Signatur von Wassermolekülen, die erstmals in der Hülle dieses Sterns nachgewiesen wurden. Wie viel Wasser dort vorhanden ist, lässt sich aus den Daten noch nicht ableiten, doch allein der Nachweis galt vielen Fachleuten als unwahrscheinlich.
Durch den Vergleich der Messdaten mit Simulationen rekonstruierten die Forscher zudem den Aufbau der Umgebung von IRS 3. Demnach umgibt den Stern eine geschichtete, schalenartige Staubhülle, die sich bis etwa 10.000 Astronomische Einheiten ausdehnt, also bis zum Zehntausendfachen des Abstands zwischen Erde und Sonne. Der Stern verliert derzeit enorm viel Materie, nach den Berechnungen entspricht der Verlust ungefähr einer Erdmasse alle 18 Tage. Gerade diese hohe Ausstoßrate dürfte erklären, warum die Hülle der zerstörerischen Umgebung standhält, denn bei geringerem Nachschub würden Strahlungsdruck und Gezeitenkräfte das Material schneller abtragen, als es sich neu bilden kann. Bezeichnend ist, dass IRS 3 unter den Millionen Sternen des zentralen Sternhaufens der einzige ist, dessen ausgedehnte Staubhülle im mittleren Infrarot sichtbar wird.
Staub und Wasser gehören zu den Grundzutaten, aus denen neue Sterne und Planeten entstehen. Der Befund zeigt deshalb, dass selbst die Zentren von Galaxien, die bisher als besonders feindlich für diese Chemie galten, von alternden Sternen kontinuierlich mit frischem Baumaterial versorgt werden können. Studienleiter Florian Peißker von der Universität zu Köln betont, dass sich mit dem Teleskop nun direkt beobachten lässt, wie widerstandsfähig die Staubproduktion selbst unter diesen Bedingungen bleibt. Für die Astronomie öffnet sich damit ein neuer Blick auf den Materialkreislauf im Herzen der Milchstraße. Wie dicht die Forschung an diesem Ort inzwischen dran ist, zeigt auch die Entdeckung des Sterns S301, der als schnellster Stern der Milchstraße dasselbe Schwarze Loch umrundet.
Die Ergebnisse fügen sich in eine Reihe von Beobachtungen, mit denen das Weltraumteleskop derzeit das Bild unserer kosmischen Nachbarschaft verändert. Der Nachweis widerstandsfähiger Sternhüllen könnte zudem helfen, ein altes Rätsel des Galaktischen Zentrums neu zu bewerten, denn dort fehlen nach theoretischen Erwartungen auffällig viele Rote Riesen, und die Frage, wie alternde Sterne diese Region überhaupt überstehen, ist eng mit dem Schicksal von IRS 3 verknüpft. In den kommenden Jahren wollen die Forscher weitere entwickelte Sterne der Region ins Visier nehmen, um zu klären, ob IRS 3 ein Sonderfall ist oder das sichtbarste Beispiel eines verbreiteten Phänomens. Erst kürzlich lieferte dasselbe Teleskop mit Hinweisen auf eine uralte Katastrophe im Mondsystem des Neptun einen weiteren unerwarteten Befund aus unserem eigenen Sonnensystem.
Die offizielle Mitteilung mit allen Aufnahmen und Spektren hat das Webb-Konsortium auf der Seite ESA/Webb veröffentlicht.
Eine ausführliche Einordnung der Beobachtungen bietet zudem die Europäische Weltraumorganisation auf ihrer Wissenschaftsseite, auf der auch die beteiligten Beobachtungsprogramme dokumentiert sind.