In den letzten Jahrzehnten ist die Zahl der außerhalb unseres Sonnensystems entdeckten Planeten in die Tausende gestiegen. Derzeit, 4.389 Exoplaneten wurden in 3.260 Systemen bestätigt, weitere 5.941 Kandidaten warten auf ihre Bestätigung. Dank zahlreicher Folgebeobachtungen und Studien haben die Wissenschaftler viel über die Arten von Planeten, die es in unserem Universum gibt, sowie über ihre Entstehung und Entwicklung gelernt.
Eine Schlüsselüberlegung bei all dem ist, wie Planeten im Laufe der Zeit bewohnbar werden (und bleiben). Im Allgemeinen gingen Astrobiologen davon aus, dass die Bewohnbarkeit davon abhängt, wo ein Planet innerhalb eines Systems kreist – innerhalb der seines Muttersterns bewohnbare Zone (HZ). Jedoch, neue Forschung von einem Team der Rice University, weist darauf hin, dass es ebenso wichtig sein könnte, wo sich ein Planet in seinem jeweiligen Sternensystem bildet.
Die Studie, die kürzlich in . veröffentlicht wurde Natur Geowissenschaften ,wurde von Rice-Doktorand geleitet Damanveer Grewal , zu dem mehrere Kollegen vom Department of Earth, Environmental and Planetary Sciences der Rice University (einschließlich Rajdeep Dasgupta , dem Maurice-Ewing-Professor für Erdsystemwissenschaften in Rice). Gemeinsam schauten sie über die Goldlöckchen-Zone der Sterne hinaus, um zu überlegen, wie Faktoren, die an der Planetenentstehung beteiligt sind, sich letztendlich auf die Bewohnbarkeit auswirken würden.
Eine Studie von Wissenschaftlern der Rice University zeigt, dass der Ort, an dem sich ein Planet in einem Sternensystem bildet, eine entscheidende Rolle für seine Bewohnbarkeit spielt. Bildnachweis: Rice University/Amrita P. Vyas
Grundsätzlich bezieht sich die HZ (oder Goldlöckchenzone) eines Sterns auf die Region, in der ein Planet in seiner Umlaufbahn Bedingungen erfährt, die warm genug sind, um flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche und eine reichhaltige Atmosphäre zu unterstützen – die wichtigsten Zutaten für das Leben. Aber unter Berücksichtigung der Elemente, die in die Planetenbildung einfließen, kamen Grewal und seine Kollegen zu dem Schluss, dass die Menge an flüchtigen Elementen, die ein Planet während der Bildung einfängt und behält, auch darüber entscheidet, ob er bewohnbar wird.
Von zentraler Bedeutung ist dabei die Zeit, die das Material benötigt, um von einer Zirkumsolarscheibe zu einem Protoplaneten zu akkretieren, und die Zeit, die der Protoplanet braucht, um sich in seine verschiedenen Schichten (einen metallischen Kern, einen Silikatmantel und -kruste und eine atmosphärische Hülle) zu differenzieren. Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Prozessen ist entscheidend, um zu bestimmen, welche flüchtigen Elemente ein Gesteinsplanet zurückhalten kann, insbesondere Stickstoff, Kohlenstoff und Wasser, die Leben hervorbringen.
Mit dem Hochdrucklabor von Dasgupta in Rice verwendete das Forschungsteam Stickstoff als Proxy für flüchtige Stoffe und simulierte, wie sich Protoplaneten differenzieren. Sie fanden heraus, dass während dieses Prozesses der größte Teil des Stickstoffs eines Protoplaneten aus dem Mantel verloren geht und in die Atmosphäre entweicht. Von dort geht der Stickstoff in den Weltraum verloren, da der Protoplanet während der nächsten Wachstumsphase entweder abkühlt oder mit anderen Himmelsobjekten kollidiert.
Wenn der metallische Kern jedoch genügend Stickstoff zurückhält, könnte er immer noch so bedeutend sein, dass er im Laufe der Zeit zur Bildung einer „erdähnlichen“ Atmosphäre beiträgt (wo er eine wichtige Rolle als Puffergas spielt). Daraus konnten die Forscher die Thermodynamik und ihren Einfluss auf die Stickstoffverteilung zwischen der Atmosphäre, den geschmolzenen Siliziumdioxidschichten und dem Kern eines Protoplaneten modellieren.
Künstlerische Darstellung des Bereichs bewohnbarer Zonen für verschiedene Sternarten. Bildnachweis: NASA/Kepler-Mission/Dana Berry
Wie Grewal in einer Reisuniversität erklärte Pressemitteilung :
„Wir simulierten Hochdruck-Temperatur-Bedingungen, indem wir eine Mischung aus stickstoffhaltigen Metall- und Silikatpulvern dem fast 30.000-fachen des Atmosphärendrucks aussetzten und sie über ihren Schmelzpunkt hinaus erhitzten. Kleine metallische Kleckse, die in die Silikatgläser der geborgenen Proben eingebettet waren, waren die entsprechenden Analoga von protoplanetaren Kernen und Mänteln.“
„Wir haben festgestellt, dass die Stickstofffraktionierung zwischen all diesen Reservoirs sehr empfindlich von der Körpergröße abhängt. Mit dieser Idee konnten wir berechnen, wie sich Stickstoff im Laufe der Zeit zwischen verschiedenen Reservoirs protoplanetarer Körper getrennt hätte, um schließlich einen bewohnbaren Planeten wie die Erde zu bauen.“
Natürlich hat diese Forschung Auswirkungen auf unser Verständnis davon, wie sich die Erde vor über 4,5 Milliarden Jahren gebildet hat. Aus ihren Ergebnissen geht hervor, dass Material aus der protoplanetaren Scheibe schnell akkretiert und einen planetaren Embryo von der Größe eines Mondes oder Mars bildete, bevor er den Differenzierungsprozess abschloss und seinen aktuellen metallischen Kern, Silikatmantel/-kruste und die Anordnung der Gashülle annahm.
Für das Sonnensystem als Ganzes schätzen sie, dass sich planetarische Embryonen innerhalb von 1-2 Millionen Jahren nach der Sonne bildeten und das verbleibende Nebelmaterial sich zu einer sie umgebenden Scheibe formte – viel früher als bisher angenommen. Wenn die Differenzierungsrate für diese Embryonen schneller wäre als die Akkretionsrate, dann hätte keiner der Gesteinsplaneten genug flüchtige Stoffe angelagert und die Erde hätte nicht die für das Leben notwendigen Bedingungen entwickelt.
Künstlerisches Konzept einer Kollision zwischen Proto-Erde und Theia, von der angenommen wird, dass sie vor 4,5 Milliarden Jahren stattfand. Bildnachweis: NASA
Dasgupta ist nicht nur Professor für Erdsystemwissenschaften in Rice, sondern auch der Hauptforscher von CLEVER Planeten . Dieses Gemeinschaftsprojekt (von der NASA finanziert) widmet sich der Erforschung, wie lebenswichtige Elemente auf Gesteinsplaneten im gesamten Kosmos zusammengekommen sein könnten. Als er zusammengefasst :
„Unsere Berechnungen zeigen, dass die Bildung eines erdgroßen Planeten durch planetarische Embryonen, die extrem schnell wuchsen, bevor sie sich einer Metallsilikat-Differenzierung unterzogen, einen einzigartigen Weg zur Deckung des Stickstoffhaushalts der Erde schafft. Diese Arbeit zeigt, dass Stickstoff eine viel größere Affinität zu kernbildenden metallischen Flüssigkeiten hat, als bisher angenommen.“
Diese neueste Forschung baut auf früheren Erkenntnissen von Grewal und Dagusta (und Kollegen) auf, wie beispielsweise einer Studie aus dem Jahr 2019, die zeigte, wie viel des flüchtigen Inhalts der Erde das Ergebnis der Einschlag, der zum Mond führte . Darauf folgten 2021 veröffentlichte Untersuchungen, die darauf hindeuteten, dass die Erde mehr Stickstoff aus lokalen Quellen gewonnen im Sonnensystem als einst geglaubt.
„Wir haben gezeigt, dass Protoplaneten, die sowohl in den inneren als auch in den äußeren Regionen des Sonnensystems wachsen, Stickstoff anreichern, und die Erde hat ihren Stickstoff durch die Akkretion von Protoplaneten aus diesen beiden Regionen gewonnen“, sagte Grewal über diese Studie, die am 21. Januar erschienNS, 2021, Ausgabe von Naturastronomie . 'Es war jedoch nicht bekannt, wie der Stickstoffhaushalt der Erde festgelegt wurde.'
Diese Ergebnisse könnten erhebliche Auswirkungen auf die zukünftige Forschung haben, wie sich Planetensysteme bilden, sich entwickeln und schließlich die Fähigkeit entwickeln, Leben zu unterstützen. In den kommenden Jahren könnten Robotermissionen zur Erforschung der ältesten Objekte im Sonnensystem (Erdnahe, Hauptgürtel und trojanische/griechische Asteroiden) zusätzliche Einblicke in seine Frühgeschichte geben – eine Zeit, in der die Saat für lebensspendende Elemente gepflanzt wurde auf der Erde und anderen Planeten.
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