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• von Juliana Fischer
• 16.10.2026
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Wie verändern junge Sterne die Wolken, aus denen sie entstanden sind? Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Dr. Brandt Gaches von der Universität Duisburg-Essen hat ein hochauflösendes 3D-Modell entwickelt, das neue Einblicke ermöglicht: Es zeigt, wie Schatten in Sternentstehungsgebieten chemische Prozesse verändern. Das beeinflusst auch die Infrarotstrahlung, die das James-Webb-Weltraumteleskop beobachtet. Die Ergebnisse sind jetzt in Astronomy & Astrophysics erschienen.

Sterne entstehen in riesigen Wolken aus kaltem Gas und Staub. Beginnen junge, massereiche Sterne zu leuchten, trifft ihre intensive ultraviolette Strahlung auf das umgebende Material: Sie heizt das Gas auf, spaltet Moleküle und setzt in den äußeren Schichten der Wolken zahlreiche chemische Reaktionen in Gang. Fachleute sprechen hier von Photodissoziationsregionen oder photondominierten Regionen. Das Licht aus diesen Zonen verrät Astronom:innen viel darüber, wie Sterne entstehen und wie Gas später erneut zur Grundlage für neue Sterne und Planeten wird – in unserer eigenen Galaxie ebenso wie in weit entfernten Galaxien.

„Die Orion Bar ist ein ideales natürliches Labor, um diese Prozesse zu untersuchen“, sagt Dr. Brandt Gaches. Die markante Struktur im Orionnebel liegt rund 1.350 Lichtjahre von der Erde entfernt. „Wir blicken nahezu von der Seite auf sie, sodass sich ihre unterschiedlichen chemischen Schichten besonders gut unterscheiden lassen. Deshalb gilt sie als wichtiger Referenzfall, um Modelle photondominierter Regionen zu überprüfen“, erklärt Gaches, der an der Universität Duisburg-Essen (UDE) eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe zur Molekül-Astrophysik leitet.

Bisherige Modelle stellten die Orion Bar meist als Abfolge eindimensionaler Schichten dar. Tatsächlich sind interstellare Wolken jedoch unregelmäßig: Dichte Bereiche wechseln sich mit weniger dichtem Material ab. Das neue Modell bildet diese komplexe dreidimensionale Struktur mit hoher räumlicher Auflösung nach. So lässt sich unter anderem verfolgen, wie molekularer Wasserstoff – das häufigste Molekül im Universum – auf die intensive Strahlung junger Sterne reagiert.

Zu berechnen, wie sich die Strahlung durch diese komplexe 3D-Struktur ausbreitet, erfordert allerdings enorme Rechenleistung. „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“, ergänzt Dr. Zhengping Zhu vom Zhejiang Lab in China, der den dafür eingesetzten Raytracing-Algorithmus entwickelt hat.

Die Simulationen zeigen, wo wichtige chemische Veränderungen stattfinden: etwa dort, wo aus atomarem Wasserstoff molekularer Wasserstoff entsteht oder ionisierter Kohlenstoff zu neutralem Kohlenstoff wird. Zugleich zeigen sie, wie die ungleichmäßige Bögen und Filamente hervorbringen kann, wie sie auch das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) beobachtet. Besonders dichte Bereiche blockieren einen Teil der einfallenden Strahlung. Dahinter entstehen Schatten und geschützte Zonen, in denen andere chemische Bedingungen herrschen.

„Die dreidimensionale Struktur des Gases macht einen entscheidenden Unterschied“, sagt Gaches. „Sie erzeugt Schatten und schützt Teile der Wolke vor der intensiven Strahlung. Das verändert die Chemie – und hinterlässt deutliche Spuren in der Strahlung, die wir vom Infrarot- bis in den Radiowellenbereich beobachten.“

Das Modell kann außerdem vorhersagen, wie eine solche Region für das JWST aussehen müsste. Diese simulierten Bilder können die Forschenden direkt mit den tatsächlichen Beobachtungen des Teleskops vergleichen. So lässt sich genauer nachvollziehen, wie die räumliche Struktur von Sternentstehungsgebieten ihre Chemie prägt – und was einfachere eindimensionale Modelle dabei übersehen.

Weitere Informationen

Originalpublikation:https://doi.org/10.1051/0004-6361/202660769

Bildunterschrift: Modell und Beobachtung im Vergleich: Das neue 3D-Modell eines Orion-Bar-Analogons (links) zeigt die Dichteverteilung in der Wolke und wo wichtige chemische Prozesse ablaufen. Rote Konturen markieren Bereiche, in denen molekularer Wasserstoff (H₂) entsteht; blaue Konturen zeigen, wo ionisierter Kohlenstoff (C⁺) zu neutralem Kohlenstoff (C) rekombiniert. Rechts sind Daten des James-Webb-Weltraumteleskops von der Orion Bar zu sehen. Der Rahmen markiert ungefähr den Ausschnitt und die Ausrichtung, die das Modell abbildet.

Kontakt:

Dr. Brandt Gaches, Fakultät für Physik, Universität Duisburg-Essen, E-Mail: brandt.gaches@uni-due.deWebsite: https://www.brandt-gaches.space/

Dr. Brandt Gaches leitet an der Universität Duisburg-Essen die Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe „Towards the Next Generation in Cosmic Ray Astrochemistry“. Dort untersucht er, welche Rolle kosmische Strahlung bei der Sternentstehung und in der Astrochemie spielt. Seine Forschung verbindet dreidimensionale chemische Modelle mit Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops. So untersucht er die Chemie dichter Molekülwolken und die Umgebung junger Sterne.