Bei der Suche nach potenziell bewohnbaren Exoplaneten ist eines der wichtigsten Dinge, nach denen Astronomen suchen, ob Exoplanetenkandidaten in der bewohnbaren Zone ihres Sterns kreisen oder nicht. Dies ist notwendig, damit flüssiges Wasser auf der Oberfläche eines Planeten vorhanden ist, was wiederum eine Voraussetzung für das Leben ist, wie wir es kennen. Im Zuge der Entdeckung neuer Exoplaneten sind Wissenschaftler jedoch auf einen Extremfall aufmerksam geworden, der als „Wasserwelten“ bekannt ist.
Wasserwelten sind im Wesentlichen Planeten mit einer Wassermasse von bis zu 50%, was zu Oberflächenmeeren führt, die Hunderte von Kilometern tief sein können. Laut einer neuen Studie eines Teams von Astrophysikern aus Princeton, der University of Michigan und Harvard können Wasserwelten möglicherweise nicht lange an ihrem Wasser festhalten. Diese Erkenntnisse könnten für die Jagd nach bewohnbaren Planeten in unserem Hals des Kosmos von immenser Bedeutung sein.
Diese jüngste Studie mit dem Titel „Die Dehydratisierung von Wasserwelten durch atmosphärische Verluste“ wurde kürzlich in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Unter der Leitung von Chuanfei Dong vom Department of Astrophysical Sciences der Princeton University führte das Team Computersimulationen durch, bei denen berücksichtigt wurde, welchen Bedingungen Wasserwelten ausgesetzt sein würden.
Diese Studie wurde hauptsächlich durch die Anzahl der Exoplaneten-Entdeckungen motiviert, die in den letzten Jahren an massearmen Sternensystemen vom Typ M (Roter Zwerg) gemacht wurden. Es wurde festgestellt, dass diese Planeten in ihrer Größe mit der Erde vergleichbar sind - was darauf hinweist, dass sie wahrscheinlich terrestrisch (d. H. Felsig) sind. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass viele dieser Planeten - wie Proxima b und drei Planeten innerhalb des TRAPPIST-1-Systems - innerhalb der bewohnbaren Zonen der Sterne kreisen.
Nachfolgende Studien zeigten jedoch, dass Proxima b und andere felsige Planeten, die rote Zwergsterne umkreisen, tatsächlich Wasserwelten sein könnten. Dies beruhte auf Massenschätzungen, die durch astronomische Untersuchungen erhalten wurden, und auf den eingebauten Annahmen, dass solche Planeten felsiger Natur waren und keine massiven Atmosphären hatten. Gleichzeitig wurden zahlreiche Studien erstellt, die Zweifel daran aufkommen lassen, ob diese Planeten in der Lage sind, an ihrem Wasser festzuhalten.
Grundsätzlich kommt es auf die Art des Sterns und die Umlaufbahnparameter der Planeten an. Während langlebige rote Zwergsterne dafür bekannt sind, im Vergleich zu unserer Sonne variabel und instabil zu sein, führt dies zu periodischen Aufflackern, die die Atmosphäre eines Planeten im Laufe der Zeit zerstören würden. Darüber hinaus wären Planeten, die in der bewohnbaren Zone eines Roten Zwergs umkreisen, wahrscheinlich gezeitengesperrt, was bedeutet, dass eine Seite des Planeten ständig der Strahlung des Sterns ausgesetzt wäre.
Aus diesem Grund konzentrieren sich die Wissenschaftler darauf, festzustellen, wie gut Exoplaneten in verschiedenen Arten von Sternensystemen ihre Atmosphäre halten können. Wie Dr. Dong dem Space Magazine per E-Mail sagte:
„Man kann mit Recht sagen, dass das Vorhandensein einer Atmosphäre als eine der Voraussetzungen für die Bewohnbarkeit eines Planeten angesehen wird. Das Konzept der Bewohnbarkeit ist jedoch komplex und beinhaltet unzählige Faktoren. Eine Atmosphäre allein reicht also nicht aus, um die Bewohnbarkeit zu gewährleisten, kann jedoch als wichtiger Bestandteil für die Bewohnbarkeit eines Planeten angesehen werden. “
Um zu testen, ob eine Wasserwelt in der Lage ist, an ihrer Atmosphäre festzuhalten, führte das Team Computersimulationen durch, bei denen verschiedene mögliche Szenarien berücksichtigt wurden. Dazu gehörten die Auswirkungen von Sternmagnetfeldern, koronalen Massenauswürfen sowie atmosphärischer Ionisation und Ausstoß für verschiedene Arten von Sternen - einschließlich G-Sterne (wie unsere Sonne) und M-Sterne (wie Proxima Centauri und TRAPPIST-1).
Unter Berücksichtigung dieser Effekte leiteten Dr. Dong und seine Kollegen ein umfassendes Modell ab, das simulierte, wie lange Exoplanetenatmosphären anhalten würden. Wie er es erklärte:
„Wir haben ein neues magnetohydrodynamisches Mehrfluidmodell entwickelt. Das Modell simulierte sowohl die Ionosphäre als auch die Magnetosphäre als Ganzes. Aufgrund des Vorhandenseins des Dipolmagnetfelds kann der Sternwind die Atmosphäre nicht direkt wegfegen (wie der Mars aufgrund des Fehlens eines globalen Dipolmagnetfelds), sondern der atmosphärische Ionenverlust wurde durch den Polarwind verursacht.
„Die Elektronen sind weniger massereich als ihre Elternionen und können daher leichter auf die Fluchtgeschwindigkeit des Planeten und darüber hinaus beschleunigt werden. Diese Ladungstrennung zwischen den austretenden Elektronen mit geringer Masse und signifikant schwereren, positiv geladenen Ionen erzeugt ein elektrisches Polarisationsfeld. Dieses elektrische Feld wiederum zieht die positiv geladenen Ionen hinter den austretenden Elektronen aus der Atmosphäre in den Polkappen. “
Sie fanden heraus, dass ihre Computersimulationen mit dem aktuellen Erde-Sonne-System übereinstimmten. Bei einigen extremen Möglichkeiten - wie Exoplaneten um Sterne vom Typ M - ist die Situation jedoch sehr unterschiedlich und die Fluchtraten könnten tausendmal höher oder höher sein. Das Ergebnis bedeutet, dass selbst eine Wasserwelt, wenn sie einen roten Zwergstern umkreist, nach etwa einem Gigayear (Gyr), einer Milliarde Jahren, ihre Atmosphäre verlieren könnte.
Angesichts der Tatsache, dass die Entwicklung des Lebens, wie wir es kennen, rund 4,5 Milliarden Jahre gedauert hat, ist eine Milliarde Jahre ein relativ kurzes Fenster. Wie Dr. Dong erklärte, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Planeten, die Sterne vom Typ M umkreisen, nur schwer in der Lage sind, Leben zu entwickeln:
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ozeanplaneten (die einen sonnenähnlichen Stern umkreisen) ihre Atmosphäre viel länger als die Gyr-Zeitskala behalten, da die Ionenaustrittsraten viel zu niedrig sind und daher eine längere Lebensdauer für diese Planeten möglich ist und in Bezug auf Komplexität entwickeln. Im Gegensatz dazu könnten Exoplaneten, die M-Zwerge umkreisen, ihre Ozeane über die Gyr-Zeitskala hinweg erschöpfen, da Exoplaneten in bewohnbaren Gebieten in der Nähe intensivere Partikel- und Strahlungsumgebungen erleben. Sollte die Atmosphäre über die Zeitspanne weniger als Gyr erschöpft sein, könnte sich dies als problematisch für den Ursprung des Lebens (Abiogenese) auf dem Planeten erweisen. “
Diese Ergebnisse werfen erneut Zweifel an der möglichen Bewohnbarkeit von Rotzwergsternsystemen auf. In der Vergangenheit haben Forscher gezeigt, dass die Langlebigkeit von roten Zwergsternen, die bis zu 10 Billionen Jahre oder länger in ihrer Hauptsequenz bleiben können, sie zum besten Kandidaten für die Suche nach bewohnbaren Exoplaneten macht. Die Stabilität dieser Sterne und die Art und Weise, wie sie wahrscheinlich Planeten ihrer Atmosphäre entziehen, scheinen jedoch auf etwas anderes hinzudeuten.
Studien wie diese sind daher insofern von großer Bedeutung, als sie dazu beitragen, zu untersuchen, wie lange ein potenziell bewohnbarer Planet um einen roten Zwergstern potenziell bewohnbar bleiben könnte. Dong zeigte an:
„Angesichts der Bedeutung des atmosphärischen Verlusts für die Bewohnbarkeit der Planeten bestand großes Interesse daran, Teleskope wie das kommende James Webb-Weltraumteleskop (JWST) zu verwenden, um festzustellen, ob diese Planeten Atmosphären haben und wenn ja, wie sie zusammengesetzt sind . Es wird erwartet, dass das JWST in der Lage sein sollte, diese Atmosphären zu charakterisieren (falls vorhanden), aber die genaue Quantifizierung der Fluchtraten erfordert ein viel höheres Maß an Präzision und ist möglicherweise in naher Zukunft nicht durchführbar. “
Die Studie ist auch für unser Verständnis des Sonnensystems und seiner Entwicklung von Bedeutung. Zu einer Zeit haben Wissenschaftler gewagt, dass sowohl die Erde als auch die Venus Wasserwelten gewesen sein könnten. Wie sie den Übergang von sehr wässrig zu dem geschafft haben, was sie heute sind - im Fall der Venus trocken und höllisch; und im Fall der Erde ist es eine alles entscheidende Frage, mehrere Kontinente zu haben.
In Zukunft werden detailliertere Umfragen erwartet, die dazu beitragen könnten, diese konkurrierenden Theorien zu beleuchten. Wenn das James Webb-Weltraumteleskop (JWST) im Frühjahr 2018 eingesetzt wird, wird es seine leistungsstarken Infrarotfunktionen nutzen, um Planeten um nahegelegene rote Zwerge zu untersuchen, darunter auch Proxima b. Was wir über diesen und andere entfernte Exoplaneten lernen, wird einen großen Beitrag dazu leisten, unser Verständnis der Entwicklung unseres eigenen Sonnensystems zu verbessern.
