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Jenseits von „Fermis Paradox“ XII: Was ist die Wasserwelten-Hypothese?

Willkommen zurück in unserem Fermi Paradox-Reihe , wo wir einen Blick auf mögliche Lösungen zu Enrico Fermis berühmter Frage „Wo ist jeder?“ werfen. Heute untersuchen wir die Möglichkeit, dass der Grund für die Große Stille darin besteht, dass viele Planeten da draußen einfach zu wässrig sind!

1950 italienisch-amerikanischer Physiker Enrico Fermi setzte sich zum Mittagessen mit einigen seiner Kollegen im Nationales Labor von Los Alamos , wo er fünf Jahre zuvor im Rahmen des Manhattan Project gearbeitet hatte. Laut verschiedenen Berichten drehte sich das Gespräch um Außerirdische und die jüngste Flut von UFOs. Dazu gab Fermi eine Erklärung ab, die in die Annalen der Geschichte eingehen sollte: „Wo sind alle?'

Dies wurde die Grundlage für die Fermi-Paradoxon , die sich auf die Diskrepanz zwischen Schätzungen mit hoher Wahrscheinlichkeit für die Existenz außerirdischer Intelligenz (ETI) und dem offensichtlichen Mangel an Beweisen bezieht. Seit Fermis Zeit gab es mehrere Resolutionsvorschläge zu seiner Frage, darunter die Möglichkeit, dass viele Exoplaneten sindWasserwelten, wo Wasser so reichlich vorhanden ist, dass es weniger wahrscheinlich ist, dass Leben auftaucht und gedeiht.

Der Begriff Wasserwelt wird verwendet, um terrestrische (felsige) Planeten zu beschreiben, die erhebliche Mengen an Wasser auf ihrer Oberfläche haben – bis zu dem Punkt, dass Wasser einen erheblichen Teil ihrer Gesamtmasse und Zusammensetzung ausmacht. Das Herzstück der Waterworlds-Hypothese ist eine Schlüsselannahme über die Bedingungen, unter denen Leben in unserem Universum existieren kann, ganz zu schweigen von den jüngsten Erkenntnissen auf dem Gebiet der Exoplanetenforschung.



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Künstlerisches Konzept von Kepler-22b, einer möglichen „Wasserwelt“. Bildnachweis: NASA/Ames/JPL-Caltech

Wenn man die Erde und alle Arten, die sich hier im Laufe der Zeit entwickelt haben, als Bezugspunkt verwendet, müssen Wissenschaftler annehmen, dass Wasser ein wesentlicher Bestandteil des Lebens ist, wie wir es kennen. Von allen bekannten Lösungsmitteln ist Wasser das einzige, in dem Leben überleben kann, und alle bekannten Organismen auf der Erde sind für ihr Überleben davon abhängig.

Dies wirft einen grundlegenden Punkt (und einen limitierenden Faktor) bei der Suche nach außerirdischem Leben auf – sowohl einfach als auch komplex. Während Wasser bei der Jagd nach außerirdischem Leben als „Biosignatur“ behandelt wird, wird vermutet, dass zu viel Wasser wichtige Prozesse stören würde, die ebenfalls als lebensnotwendig gelten. Aber zuerst eine kurze Anmerkung zur Terminologie.

Biosignaturen

Definitionsgemäß bezieht sich der Begriff „Biosignaturen“ auf jede Verbindung, jedes Isotop oder jeden Prozess, der als Beweis für vergangenes oder gegenwärtiges Leben angesehen wird. Genauer gesagt weisen sie auf komplexe Prozesse hin, die kostenlose Energie verbrauchen und zur Produktion von organischem Abfall (Biomasse) führen. Dazu gehört auch Wasserstoffgas (H2), Sauerstoffgas (O2), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Wasser (H2O) und einige Schwefel- und Phosphorverbindungen.

Wasser ist eine der begehrtesten Biosignaturen, da es das einzige bekannte Lösungsmittel ist, in dem Leben existieren kann und für alle bekannten Lebensformen auf der Erde unerlässlich ist. Aber während Wasser 71 % der Erdoberfläche bedeckt, macht es nur 0,02 % der Gesamtmasse unseres Planeten aus. Wenn dieser Massenanteil höher wäre, würde dies bedeuten, dass ein Planet vollständig von Ozeanen großer Tiefe bedeckt wäre, was Folgen für die Bewohnbarkeit haben könnte.

Dies ist nicht unähnlich „vorübergehend bewohnbaren Planeten“, bei denen Gesteinsplaneten beobachtet wurden, die anscheinend reichlich Sauerstoffgas enthalten, das abiotischen Ursprungs ist (nicht das Ergebnis biologischer Aktivität). Stattdessen wird angenommen, dass das Sauerstoffgas das Ergebnis einer chemischen Dissoziation ist, bei der ultraviolette Strahlung dazu führt, dass atmosphärischer Wasserdampf zerfällt, wodurch Wasserstoff und Sauerstoffgas entstehen.



Während das Wasserstoffgas (das viel leichter ist) an den Weltraum verloren geht, wird das Sauerstoffgas durch die Schwerkraft des Planeten zurückgehalten. Aber da Sauerstoffgas für viele grundlegende Lebensformen giftig ist – wie zum Beispiel photosynthetische Organismen wie Cyanobakterien – könnte die Anwesenheit von abiotischem Sauerstoff tatsächlich die Entstehung von Leben verhindern. Vielleicht gilt das auch, wenn es um Wasser im Überfluss geht.

Herkunft

Während die Wasserwelten-Hypothese größtenteils das Produkt der jüngsten Entdeckungen von Exoplaneten ist, reichen ihre Grundlagen mehrere Jahrzehnte zurück. Als Beispiel fasste David Brin die Denkweise hinter dieser Hypothese in seiner bahnbrechenden Studie von 1983 zusammen: Das große Schweigen – die Kontroverse um außerirdisches intelligentes Leben :

„Wasser bedeckt über 70 Prozent der Erdoberfläche. Doch vielleicht befindet sich die Erde am trockenen Ende der bewohnbaren Klasse der Welten. Eine viel kleinere Landfläche oder das Fehlen von trockenem Land würde kaum Möglichkeiten für die Entwicklung von werkzeugnutzenden Arten bieten. Die meisten intelligenten Spezies im Universum mögen die Aussichten von Walen haben und sich nie ein Radio vorstellen oder zu den Sternen reisen.“

Eine Anordnung von 3 Exoplaneten, um zu untersuchen, wie die Atmosphären basierend auf der vorhandenen Chemie und dem eingehenden Fluss unterschiedlich aussehen können. Credit und ©: Jack H. Madden, mit Genehmigung verwendet

Ähnliche Argumente wurden von Manasvi Lingam und Abraham Loeb, zwei Forschern der Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) und die Institut für Theorie und Informatik (ITC) an der Harvard University. In einem Studie 2018 , untersuchten die beiden Forscher die Rolle von Ozeane und Kontinente bei der Entstehung des Lebens.

Am Ende kamen sie zu zwei wahrscheinlichen Möglichkeiten. Einerseits zeigten ihre Berechnungen, dass ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen Ozeanen und Landmassen entscheidend für die Entstehung komplexer Biosphären ist. Andererseits stellten sie fest, dass Planeten wie die Erde – mit einem Verhältnis von Landmasse zu Ozeanen von 30:70 – in unserem Universum wahrscheinlich ziemlich selten sind.

In den letzten Jahren haben Astronomen auch Hinweise darauf beobachtet, dass Wasser einen größeren Anteil an der Masse und Zusammensetzung eines Planeten ausmachen könnte als bisher angenommen. Einerseits haben moderne Vermessungen viele Exoplaneten entdeckt, die innerhalb der Habitable Zones (HZ) ihrer Sterne kreisen, die vollständig mit Wasser bedeckt zu sein schienen.

Es gibt auch die schiere Anzahl von Gesteinsplaneten, die in den letzten zehn Jahren Teil des M-Sternensystems (Roter Zwerg) waren. Dazu gehört Proxima b, der dem Sonnensystem am nächsten gelegene Exoplanet (4,24 Lichtjahre) und der innerhalb der HZ seines Sterns kreist. In einem Studie 2016 , Bastien Brugger und die Blasser roter Punkt Das Team erstellte eine Reihe von internen Strukturmodellen, die zeigten, wie diese Planeten größtenteils aus Wasser bestehen könnten.

Künstlerische Darstellung eines „Augapfel“-Planeten, einer Wasserwelt, in der die der Sonne zugewandte Seite einen Ozean mit flüssigem Wasser aufrechterhalten kann. Bildnachweis und Copyright: eburacum45/ DeviantArt

Ausgehend von der Annahme, dass Proxima b ein Gesteinsplanet ist und keine massive Atmosphäre besitzt, kamen Brugger und seine Kollegen zu dem Schluss, dass dieser Planet wahrscheinlich einen maximalen Radius von 1,4 mal dem der Erde und 1,46 mal so viel Masse hat. Zu diesen Parametern gehört aber auch ein Massenanteil von bis zu 50 % Wasser, was bedeutet, dass es sich wahrscheinlich um einen „Ozeanplanet“ mit einer gefrorenen Eisschale handelt.

Es folgte a ähnliche Studie von Forschern der Universität Bern, die die Entstehung von Planeten um Sterne mit sehr geringer Masse (auch bekannt als Roter Zwerg) untersucht haben. Ihre Ergebnisse zeigten, dass diese Planeten zwischen dem 0,5- und 1,5-fachen des Erdradius liegen (wobei 1 Erdradius der Durchschnitt ist) und dass in 90% der Fälle Wasser mehr als 10% der Masse der Planeten ausmachen würde.

Im Jahr 2017 bestätigten Astronomen die Existenz von sieben Gesteinsplaneten in der Umgebung TRAPPIST-1 , mit drei Umlaufbahnen innerhalb der HZ des Sterns. Seit damals, mehrere Studien haben gezeigt, dass das System möglicherweise reich an Wasser . Eine Studie aus dem Jahr 2018 unter der Leitung von Arizona State’s Schule für Erd- und Weltraumforschung (SESE) berechnete den Wassergehalt der TRAPPIST-1-Planeten und kam zu ähnlichen Ergebnissen.

Basierend auf ihren Masse-Radius-Zusammensetzungsmodellen fanden sie heraus, dass die innersten Planeten (BundC) waren „trockener“ – mit 15 Masse-% Wasser – während die äußersten Planeten (Fundg) waren mehr als 50 Masse-% Wasser. Im Jahr 2018 untersuchte eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung des Harvard-Forschers Li Zeng Daten aus dem Kepler-Weltraumteleskop und Gaia Mission, herauszufinden, wie verbreitet „Wasserwelten“ wirklich sind.

Diese künstlerische Darstellung zeigt den Planeten Proxima b, der den Roten Zwergstern Proxima Centauri, den dem Sonnensystem am nächsten gelegenen Stern, umkreist. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser

Daraus konnten Zeng und ihre Kollegen ein Modell erstellen, das den Zusammenhang zwischen Masse und Radius aufzeigte. Sie fanden heraus, dass Planeten mit einem 2,5-fachen Radius der Erde (und einer Masse von etwa der 10-fachen Erdmasse) wahrscheinlich Wasserwelten sind – wo Wasser etwa 50% ihrer Masse ausmacht. Kurz gesagt, sie fanden heraus, dass etwa 35% aller bekannten Exoplaneten, die größer als die Erde sind, wasserreich sein sollten.

Auswirkungen

Die Möglichkeit, dass sehr viele Exoplaneten Wasserwelten sind, könnte sehr schlecht sein, wenn es um die Suche nach Leben, wie wir es kennen, geht. Planeten mit einer Masse von bis zu 50 % Wasser hätten beispielsweise Ozeane, die mehrere Kilometer tief sind. Unter diesen Bedingungen würden diese Planeten aus flüssigen Ozeanen über Schichten von Hochdruckeis bestehen, die einen felsigen Kern umgeben.

Das Vorhandensein von Eis zwischen einem felsigen Kern und einem Oberflächenozean würde den Energieaustausch durch geothermische Aktivität verhindern. Auf der Erde wird angenommen, dass das Vorhandensein von geothermischen Quellen an der Kern-Mantel-Grenze für die Entstehung von Leben wesentlich war. Auf Ozeanwelten wie Europa und anderen Eismonden wird angenommen, dass dieselbe Aktivität für die Existenz jeglichen Lebens in ihren Ozeanen unerlässlich ist.

Ist es angesichts ihrer Gemeinsamkeit möglich, dass Leben in unserem Universum selten ist, weil Wasserwelten so häufig sind? Könnte es sein, dass das Leben, wie wir es kennen, selten ist, nicht weil eine wichtige Biosignatur fehlt, sondern im Überfluss? Dies würde eine totale Umkehrung dessen darstellen, was viele Astronomen zu finden erwarteten, aber es bietet eine mögliche Auflösung des Fermi-Paradoxons.

Kritikpunkte

Obwohl diese Hypothese im Hinblick auf das Fermi-Paradox attraktiv ist, schließt sie die Möglichkeit von Leben auf Wasserwelten aus. In einer Studie des Geophysikers Edwin Kite und des Astrophysikers Eric Ford aus dem Jahr 2018 mit dem Titel „ Bewohnbarkeit von Exoplaneten-Wasserwelten “ – die beiden argumentierten, dass Waterworlds einen Kohlenstoffkreislauf aufrechterhalten ohne geologische Aktivität oder Landmassen und daher bewohnbar sein.

Auf der Erde sind die Temperaturen aufgrund des relativ konstanten CO .-Gehalts im Laufe von Äonen stabil geblieben2in unserer Atmosphäre. Dies ist auf den Kohlenstoffkreislauf zurückzuführen, bei dem Treibhausgase von Mineralien aufgenommen werden (ermöglicht durch Konvektion im Erdmantel) und durch vulkanische Aktivität periodisch wieder in die Atmosphäre abgegeben werden. In diesem Szenario ist geologische Aktivität für die Aufrechterhaltung der Bewohnbarkeit unerlässlich.

Ein solcher Prozess wäre auf Wasserwelten nicht möglich, wo die gesamte Oberfläche des Planeten aus Wasser besteht und die geothermische Aktivität weder Material noch Energie an die Atmosphäre abgeben kann. Aber laut Simulationen von Kite und Ford könnten Waterworlds genug Kohlenstoff zwischen Atmosphäre und Ozeanen zirkulieren, um ein stabiles Klima über mehrere Milliarden Jahre aufrechtzuerhalten.

Außerdem, a Studie 2018 von den Geophysikern Bradford Foley und Andrew Smye von der Pennsylvania State University zeigten, dass Plattentektonik ist nicht notwendig für die Aufrechterhaltung bewohnbarer Bedingungen auf einem Planeten. Auch hier zeigte das Forschungsteam, dass ein Kohlenstoffkreislauf ohne Konvektion in der vulkanischen Kruste eines Planeten aufrechterhalten werden kann (vorausgesetzt, es gab genügend radioaktive Elemente im Mantel).

Kopernikan vs. Anthropisch

Eine weitere wichtige Überlegung ist die Art und Weise, wie diese Hypothese Fragen über die Erde und die Natur des terrestrischen Lebens aufwirft. Insbesondere die Debatte darüber, ob die Erde ein typisches Beispiel für bewohnbare Planeten oder ein seltener (oder sogar einzigartiger) Fall ist, hat sich erneut entzündet. Die erstere Möglichkeit ist ein Beispiel für das kopernikanische Prinzip (auch bekannt als das Mittelmäßigkeitsprinzip), das besagt, dass die Erde und die Menschheit nicht in der privilegierten Position sind, das Universum zu beobachten.

Im Gegensatz dazu behauptet das Anthropische Prinzip, dass wissenschaftliche Beobachtungen nur möglich sind, weil die Gesetze des Universums mit der Entwicklung des fühlenden Lebens vereinbar sind. In Bezug auf die Kosmologie argumentiert das Anthropische Kosmologische Prinzip, dass die Menschheit und die Erde tatsächlich in einer privilegierten Position sind und kein Beispiel für die Norm sind.

Insofern könnte die Existenz von Wasserwelten ein Hinweis darauf sein, dass Planeten wie die Erde im Universum tatsächlich recht selten sind. Je nachdem, ob sie bewohnbar sind oder nicht, kann dies auch bedeuten, dass Arten wie der Mensch (terrestrisch, Werkzeug verwendend usw.) die Minderheit sind – oder einfach nur einzigartig sind. So oder so, es könnte erklären, warum wir von niemandem etwas hören!

Während Wissenschaftler nicht mit Sicherheit sagen können, ob Wasserwelten nicht in der Lage sind, Leben zu unterstützen, oder dass Wasserwelten einen statistisch signifikanten Prozentsatz der Planeten außerhalb des Sonnensystems ausmachen, spiegelt diese Hypothese wider, wie unser Wissen über Exoplaneten in den letzten Jahren erheblich gewachsen ist. Es erinnert uns auch daran, dass die Debatte zwischen dem kopernikanischen und dem anthropischen Prinzip noch lange nicht beendet ist.

Diese künstlerische Darstellung zeigt mehrere Planeten, die den ultrakühlen Roten Zwergstern TRAPPIST-1 umkreisen. Bildnachweis: ESO

Was die Möglichkeiten angeht, ist es jedoch ziemlich faszinierend. David Brin hat es vielleicht am besten ausgedrückt:

„Es stellt sich heraus, dass unsere Erde den äußersten inneren Rand der kontinuierlich bewohnbaren – oder „Goldlöckchen“ – Zone unserer Sonne entlangläuft. Und die Erde kann anomal sein. Es kann sein, dass wir, weil wir unserer Sonne so nahe sind, eine ungewöhnlich sauerstoffreiche Atmosphäre haben und wir haben ungewöhnlich wenig Ozean für eine Wasserwelt…

„In diesem Fall kann die Entwicklung von Kreaturen wie uns mit Händen und Feuer und all dem in der Galaxis selten sein. In diesem Fall, wenn wir Raumschiffe bauen und uns auf den Weg machen, werden wir vielleicht viele, viele Lebenswelten finden, aber sie sind alle wie Polynesien. Wir werden viele, viele intelligente Lebensformen finden, aber es sind alles Delfine, Wale, Tintenfische, die niemals ihre eigenen Raumschiffe bauen könnten.“

Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel über das Fermi-Paradox, die Drake-Gleichung und die Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI) geschrieben.

Hier ist Wo sind die Außerirdischen? Wie der „große Filter“ den technischen Fortschritt im Weltraum beeinflussen könnte , Warum es schlecht wäre, außerirdisches Leben zu finden. Der große Filter , Wie könnten wir Außerirdische finden? Die Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI) , und Fraser und John Michael Godier diskutieren das Fermi-Paradox .

Möchten Sie die Anzahl außerirdischer Arten in unserer Galaxie berechnen? Gehen Sie rüber zum Alien-Zivilisations-Rechner !

Schauen Sie sich auch den Rest unserer Beyond Fermi's Paradox-Serie an:

Astronomy Cast hat einige interessante Episoden zu diesem Thema. Hier ist Folge 24: Das Fermi-Paradox: Wo sind die Aliens? , Episode 110: Die Suche nach außerirdischer Intelligenz , Folge 168: Enrico Fermi , Folge 273: Lösungen für das Fermi-Paradoxon .

Quellen: