Sternengeschichten Folge 601: Wasser im Universum

Wie feucht ist der Kosmos?

Sternengeschichten Folge 601: Wasser im Universum

Wasser! Ohne Wasser würde es auf der Erde kein Leben geben. Wasser ist absolut notwendig für uns. Die Wissenschaft diskutiert seit Jahrzehnten, ob auf dem Mars Wasser nachgewiesen werden konnte, oder nicht oder ob es heute noch dort zu finden ist. Oder ob es Wasser auf dem Mond gibt. Wasser ist wichtig. Und man könnte auf die Idee kommen, Wasser wäre selten. Wieso würden wir sonst so ein Theater darum machen? Tatsächlich ist Wasser im Universum enorm häufig. Und deswegen schauen wir uns heute mal an, wo man das Wasser überall finden kann.

Fangen wir mit den Grundlagen an. Wasser gehört zu den wenigen Stoffen, bei dem so gut wie alle Menschen auch die zugehörige chemische Formel kennen: H2O. Und dieses "H2O" sagt uns auch gleich, warum Wasser alles andere als selten ist. "H2O", das bedeutet, dass ein Wassermolekül aus zwei Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff besteht. Und wenn es etwas im Universum in wirklich großen Mengen gibt, dann Wasserstoff! Wasserstoff ist das häufigste Element; ungefährt zwei Drittel aller Atome im Universum sind Wasserstoffatome. Wasserstoff ist direkt nach dem Urknall entstanden; es ist das einfachste Atom das es gibt. Aber wir brauchen ja auch noch Sauerstoff. Den gab es nach dem Urknall noch nicht. Damals hat es nur für Wasserstoff und Helium gereicht. Alle anderen Elemente, all die vielen anderen Arten von Atomen, die gab es noch nicht. Die wurden erst später, durch Kernfusion im Inneren der ersten Sterne produziert. Und Sauerstoff ist durch Kernfusion relativ einfach zu bekommen. Dazu muss man nur Helium-Atome miteinander fusionieren. Ok, das "nur" ist auch ein wenig übertrieben. Normalerweise fusionieren Sterne in ihrem Inneren Wasserstoff zu Helium. Erst in den letzten Phasen ihres Leben finden auch andere Kernreaktionen in nennenswerter Menge statt. Aber die Produktion von Sauerstoff ist da einer der wichtigsten Prozesse und deswegen ist Sauerstoff auch das dritthäufigste Elemente im Universum.

Jetzt müssen nur noch zwei Wasserstoffatome ein Sauerstoffatom finden, sich miteinander verbinden und fertig ist das Wasser. Netterweise verbinden sich Wasserstoff und Sauerstoff aber sehr gerne und leicht miteinander und im Weltall haben sie oft genug Gelegenheit dazu, das zu tun. Zum Beispiel in den großen Molekülwolken, die sich überall zwischen den Sternen finden. Die bestehen natürlich hauptsächlich aus Wasserstoff, aber sterbende Sterne in der Umgebung haben durch ihren Sternwind und ihre Supernova-Explosionen jede Menge andere Atome und natürlich auch Sauerstoff durch die Gegend verteilt. In diesen Wolken können sich also Wassermoleküle bilden und wenn da auch noch ein paar Staubteilchen rumfliegen, geht es noch einfacher. Dann können sich verschiedenste Atome an der Oberfläche des Staubs anlagern und dort miteinander reagieren.

Wir halten also fest: Wasser gibt es im Universum jede Menge. Aber bei diesem "Wasser" ist eben erstmal nur das Molekül selbst gemeint. Damit ist noch nichts über den Aggregatzustand des Wassers gesagt, also ob das Wasser fest, flüssig oder gasförmig ist. Als ich zu Beginn über die Bedeutung des Wassers für das Leben gesprochen habe, ging es natürlich um flüssiges Wasser. Mit Eis oder Wasserdampf können wir Lebewesen nicht viel anfangen; wir brauchen es als Flüssigkeit. Aber lassen wir diese Unterscheidung vorerst mal beiseite und schauen wir uns an, wo wir überall Wasser finden können. Und es ist klar, dass das nur ein grober Überblick sein kann, immerhin ist das Universum ziemlich groß.

Fangen wir mit dem Sonnensystem an. Hier gibt es jede Menge Wasser und zwar fast ausschließlich in fester Form. Wassereis ist häufig, zum Beispiel in Asteroiden und Kometen. All die Himmelskörper, die sich ausreichend weit von der Sonne entfernt gebildet haben, enthalten jede Menge Eis. "Ausreichend weit" ist so circa 2 bis 3 Mal weiter von der Sonne weg als die Erde. Dort sind aber noch jede Menge Asteroiden. Dort sind die Billionen von Kometen. Dort sind Planeten wie Uranus und Neptun, die nicht umsonst "Eisriesen" genannt werden. Dort sind ihre Monde und die Monde von Jupiter und Saturn. Wir wissen, das die Jupitermonde Europa, Ganymed und Kallisto von dicken Eispanzern umgeben sind, ebenso der Saturnmond Enceladus, der Neptunmond Triton, und viele andere Monde. Die Ringe des Saturns bestehen aus Wassereisbrocken; die Kometen auch zu einem großen Teil. Wir finden Wassereis an den Polkappen des Mars und vermutlich auch unter seiner Oberfläche. Auf dem Mond der Erde dürfte es auch Eis geben und selbst auf dem sonnennahen Merkur hat man Eis in einigen tiefen Kratern gefunden, in deren Inneres das Sonnenlicht nie fällt.

Auf der Erde gibt es natürlich auch Eis, aber auch jede Menge flüssiges Wasser. Wir wissen, das es auf dem Mars früher jede Menge flüssiges Wasser gegeben hat. Ob heute noch etwas davon übrig ist, ist nicht ganz klar. Wenn, dann ist es irgendwo unter der Oberfläche gefroren und kann nur unter speziellen Umständen kurzfristig an der Oberfläche austreten. Flüssiges Wasser befindet sich mit Sicherheit unter der dicken Eiskruste des Jupitermonds Europa und auch beim Saturnmond Enceladus. Wahrscheinlich auch bei anderen Monden wie Ganymed, Titan, Kallisto, Dione, Titania oder Triton.

Wo kommt das Wasser des Sonnensystems her? Es stammt aus den großen Wolken, aus denen Sterne und Planetensysteme entstehen; den Wolken, von denen ich vorhin gesprochen habe, als ich erklärt habe, wo und wie sich Wassermoleküle bilden. Und diese Wolken gibt es heute natürlich auch noch. Überall in der Milchstraße finden wir solche Regionen und wir finden auch protoplanetare Scheiben. Das ist das, was sich um einen frisch entstandenen Stern herum bildet und aus dem später Planeten entstehen. Weit genug vom Stern entfernt können sich dort Wassereispartikel bilden und mit dem ganzen Staub herumwirbeln. Und genau deswegen entstehen in den äußeren Regionen von Planetensystemen auch Himmelskörper, die viel Eis enthalten. Aus den Eispartikeln kann das Wasser auch in Form von Wasserdampf aussublimieren. Schmelzen kann Eis im Vakuum des Weltalls natürlich nicht, dazu braucht es einen ausreichend hohen Luftdruck. Aber das Eis kann direkt gasförmig werden und genau das tut es. Deswegen gibt es dort überall Wasserdampf und den können wir nachweisen, wenn wir das Licht untersuchen, das von diesen Scheiben und Wolken zu uns reflektiert wird. Mit der selben Technik haben wir Wasserdampf auch schon in der Atmosphäre von Planeten anderer Sterne nachgewiesen; allerdings in Planeten die eher dem Jupiter oder dem Saturn ähnlich sind. Auch dort verteilen sich überall Wassermoleküle.

Aber all das Wasser der gesamten Milchstraße ist nichts gegen das, was wir noch weiter entfernt gefunden haben. Im Jahr 2008 haben Forscherinnen und Forscher den Quasar mit der Bezeichnung APM 08279+5255 beobachtet, den ich im Folgenden nur noch APM nennen werde. Ein Quasar ist das helle Zentrum einer fernen Galaxie und es ist deswegen hell, weil dort ein supermassereiches schwarzes Loch sitzt. Seine Gravitationskraft lässt die ganze Materie in seiner Umgebung wild umherwirbeln, dabei heizt es sich auf und gibt Strahlung ab. Dieses Licht kann man analysieren und je nachdem, aus welchen Atomen oder Molekülen diese Materie besteht, wird man mehr oder weniger Licht bei ganz charakteristischen Wellenlängen sehen. Auch H2O hat so einen Fingerabdruck und den hat man im Jahr 2008 im Licht gesehen, das von APM bis zu uns gekommen ist. Dieses Licht war übrigens über 12 Milliarden Jahre unterwegs. Das bedeutet: Wir sehen den Quasar so, wie er knapp 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall ausgesehen hat; wir schauen also tief in die Vergangenheit. Im Jahr 2011 konnte man dann auch die Menge an Wasserdampf messen, die dort existiert. 100.000 Sonnenmassen, ein paar Billionen Mal mehr Wasser als auf der Erde; circa 4000 mal mehr als in der gesamten Milchstraße. Dort befindet sich die größte Ansammlung an Wasser, die man bis dahin beobachtet hat.

Die Strahlung aus der Umgebung des schwarzen Lochs heizt das Wasser auf, seine Temperatur beträgt circa -50 Grad Celsius. Immer noch viel zu wenig natürlich für flüssiges Wasser. Aber doch deutlich mehr, als man üblicherweise in solchen Wolken findet. Diese viele hunderte Lichtjahre große Wolke besteht natürlich auch nicht rein aus Wasserdampf. Aber aus dem Nachweis von Wassermolekülen kann man - mit noch ein bisschen mehr komplexer Wissenschaft - auch auf das Vorhandensein anderer Moleküle schließen und damit auf die gesamte Masse, die da um das schwarze Loch wabert. Abgesehen davon hat der Nachweis von Wasser beim Quasar APM auch gezeigt, dass Wasser schon wirklich früh im Universum vorhanden war. Wenn schon zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall so gewaltige Menge existiert haben, dann bestätigt das nur, dass Wasser leicht zu erzeugen und schwer kaputt zu kriegen ist.

Aber eben nicht flüssiges Wasser. Außerhalb des Sonnensystems haben wir noch nirgendwo flüssiges Wasser gefunden und unsere Erde ist der einzige Ort, den wir kennen, auf dem es einen Wasserkreislauf gibt und wo Wasser sowohl fest, flüssig als auch gasförmig auftreten kann. Wasser ist im Universum völlig normal. Aber die Orte, wo dank Wasser auch Leben entstehen kann, sind es vermutlich nicht.