Im Herzen des NASA Center for Climate Simulation (NCCS) – Teil des Goddard Space Flight Center der NASA – befindet sich das Supercomputer entdecken , ein 129.000-Core-Cluster von Linux-basierten Prozessoren. Dieser Supercomputer, der 6,8 Petaflops (6,8 Billionen) Operationen pro Sekunde durchführen kann, hat die Aufgabe, ausgeklügelte Klimamodelle zu betreiben, um vorherzusagen, wie das Klima der Erde in Zukunft aussehen wird.
Das NCCS hat jedoch auch damit begonnen, einen Teil der Supercomputerleistung von Discover zu verwenden, um vorherzusagen, wie die Bedingungen auf einem der über 4.000 Planeten sein könnten, die außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt wurden. Diese Simulationen haben nicht nur gezeigt, dass viele dieser Planeten könnten bewohnbar sein , sie sind ein weiterer Beweis dafür, dass unsere Vorstellungen von „Bewohnbarkeit“ ein Umdenken gebrauchen könnten.
Trotz der schieren Zahl der Entdeckungen von Exoplaneten, die in den letzten zehn Jahren stattgefunden haben, sind Wissenschaftler immer noch gezwungen, sich auf Klimamodelle zu verlassen, um zu bestimmen, welche von ihnen „potenziell bewohnbar“ sein könnten. Derzeit ist die Erforschung dieser Planeten mit Raumfahrzeugen aufgrund der schieren Entfernungen völlig unpraktisch.
Der Supercomputing-Cluster „Discover“ am NASA Center for Climate Simulation. Bildnachweis: NASA/GSFC/NSCC
Wie wir in einem früheren Artikel angesprochen haben, würde es ungefähr dauern 19.000 und 81.000 Jahre um das nächstgelegene Sternensystem (Alpha Centauri) mit aktueller Technologie zu erreichen. Zudem ist eine direkte Beobachtung von Exoplaneten mit heutigen Teleskopen nur noch in seltenen Fällen möglich, wobei es sich typischerweise um massereiche Planeten handelt, die ihre Sterne in großer Entfernung umkreisen. Diese Planeten neigen dazu, Gasriesen zu sein und sind daher keine Kandidaten für die Bewohnbarkeit.
Auf jeden Fall haben Astronomen herausgefunden, dass alle außerhalb unseres Sonnensystems beobachteten Planeten ziemlich vielseitig sind. Zum größten Teil die 4.108 Exoplaneten die bisher bestätigt wurden, waren entweder Neptun-ähnliche Gasriesen (1375), Jupiter-ähnliche Gasriesen (1293) oder Supererden (1273). Nur 161 Exoplaneten waren von Natur aus terrestrisch (auch bekannt als felsig oder „erdähnlich“), die alle um Sterne des M-Typs (Roter Zwerg) herum gefunden wurden.
Wie Elisa Quintana – ein Astrophysiker der NASA Goddard, der das Team leitete, das 2014 für die Entdeckung von Kepler-186f, dem ersten erdgroßen Planeten in einer bewohnbaren Zone (HZ), verantwortlich war – erklärte:
„Lange Zeit konzentrierten sich Wissenschaftler wirklich darauf, sonnen- und erdähnliche Systeme zu finden. Das war alles, was wir wussten. Aber wir haben herausgefunden, dass es diese ganze verrückte Vielfalt auf Planeten gibt. Wir haben Planeten gefunden, die so klein sind wie der Mond. Wir haben riesige Planeten gefunden. Und wir fanden einige, die winzige Sterne, Riesensterne und mehrere Sterne umkreisen.“
Illustration von Kepler-186f, einem kürzlich entdeckten, möglicherweise erdähnlichen Exoplaneten, der Leben beherbergen könnte. Bildnachweis: NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech/T. Pyle
Die Entdeckung von terrestrischen Planeten, die innerhalb der HZs der Roten Zwerge kreisen, sorgte zunächst für große Aufregung. Diese Sterne sind nicht nur die häufigsten in unserem Universum – sie machen allein 85% der Sterne in der Milchstraße aus –, sondern es wurde auch festgestellt, dass mehrere Sterne in der Nähe des Sonnensystems umkreisen.
Dazu gehören die drei Planeten, die innerhalb der HZ von kreisen TRAPPIST-1 (39,46 Lichtjahre entfernt) und Nächstes b , der der Erde am nächsten gelegene Exoplanet (4,24 Lichtjahre entfernt). Leider wurden in den letzten Jahren zahlreiche Studien durchgeführt, die darauf hindeuteten, dass diese Planeten Schwierigkeiten haben würden, eine lebensfähige Atmosphäre im Laufe der Zeit aufrechtzuerhalten.
Einfach ausgedrückt bedeutet die Tatsache, dass sie kleiner und kühler sind, dass Rote Zwerge HZs haben, die viel näher an ihrer Oberfläche liegen. Dies bedeutet, dass jeder Planet, der mit der HZ eines Roten Zwergs umkreist, wahrscheinlich mit ihnen verbunden ist, was bedeutet, dass eine Seite ständig dem Stern zugewandt ist und die gesamte Wärme, Strahlung und den Sonnenwind des Sterns empfängt.
Ob diese Planeten bewohnbar sein könnten oder nicht, hängt von vielen Faktoren ab, wie dem Vorhandensein einer dichten Atmosphäre, einer Magnetosphäre und der richtigen chemischen Häufigkeit. Anstatt Planeten direkt zu sehen und festzustellen, ob diese Bestandteile des Lebens (auch bekannt als Biosignaturen) existieren, verlassen sich Wissenschaftler auf Klimamodelle, um bei der Suche nach „potenziell bewohnbaren“ Exoplaneten zu helfen.
Künstlerische Darstellung von DG CVn, einem nahegelegenen Doppelstern, der aus zwei roten Zwergsternen besteht. Credits: NASA/GSFC
Entsprechend Karl Stapelfeldt , dem leitenden Exoplanetenwissenschaftler der NASA am Jet Propulsion Laboratory, ist die Fähigkeit, das Klima auf anderen Planeten zu modellieren, für die Zukunft der Weltraumforschung absolut unerlässlich. „Die Modelle machen spezifische, überprüfbare Vorhersagen darüber, was wir sehen sollten“, sagte er. „Diese sind sehr wichtig für die Gestaltung unserer zukünftigen Teleskope und Beobachtungsstrategien.“
Einfach ausgedrückt beinhaltet die Klimamodellierung die Erstellung einer Simulation des Klimas der Erde (oder eines anderen Planeten) basierend auf bestimmten Bedingungen und/oder Umweltveränderungen. Diese Arbeit wurde jahrelang von Anthony Del Genio durchgeführt, einem kürzlich pensionierten Planetenklimawissenschaftler am Goddard Institute for Space Studies der NASA. Während seiner Karriere führte Del Genio Klimasimulationen mit der Erde und anderen Planeten (einschließlich Proxima b) durch.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Proxima b ungefähr die gleiche Größe wie die Erde hat und mindestens 1,3-mal so massiv ist. Es umkreist seinen Stern (Proxima Centauri) einmal alle 11,2 Erdtage und in einer Entfernung von 0,05 AE (5% der Entfernung zwischen Erde und Sonne). In dieser Entfernung ist der Planet wahrscheinlich gravitativ an seinen Stern gebunden, wobei eine Seite ständig der intensiven Strahlung des Sterns ausgesetzt ist. Gleichzeitig ist der andere ständiger Dunkelheit und Minusgraden ausgesetzt.
Das Team von Del Genio hat jedoch vor kurzem noch einmal mögliche Klimata auf Proxima b simuliert, um zu sehen, wie viele zu einer warmen und feuchten Umgebung führen würden, die das Leben unterstützen kann. Interessanterweise, diese Simulationen zeigten, dass Planeten wie Proxima b bewohnbar sein könnten, obwohl sie auf einer Seite starken Strahlungsmengen ausgesetzt sind.
Künstlerische Darstellung des Planeten Proxima b, der den Roten Zwergstern Proxima Centauri, den dem Sonnensystem am nächsten gelegenen Stern, umkreist. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser
Um diese Simulationen durchzuführen, nutzte das Team von Del Genio den Supercomputer Discover, um einen selbst entwickelten Planetensimulator zu betreiben – genannt ROCKE-3D . Dieser Simulator basiert auf einer Version des Klimamodells der Erde, das erstmals in den 1970er Jahren entwickelt und aktualisiert wurde, um das Klima auf anderen Planeten zu simulieren, teilweise basierend auf der Art ihrer Umlaufbahnen und ihrer atmosphärischen Zusammensetzung.
Für jede Simulation variierte das Team von Del Genio die Bedingungen auf Proxima b, um zu sehen, wie sich dies auf das Klima auswirken würde. Dazu gehörten die Anpassung der Art und Menge der Treibhausgase in seiner Atmosphäre, der Tiefe, Größe und des Salzgehalts seiner Ozeane sowie des Verhältnisses von Land zu Wasser. Daraus konnten sie sehen, wie Wolken und Ozeane zirkulieren und wie die Strahlung der Sonne des Planeten mit der Atmosphäre und Oberfläche von Proxima b interagiert.
Sie fanden heraus, dass die hypothetische Wolkenschicht von Proxima b als Schild fungieren würde, die Sonnenstrahlung von der Oberfläche ablenkt und die Temperatur auf der der Sonne zugewandten Seite von Proxima b senkt. Dies steht im Einklang mit der Forschung von Wissenschaftlern mit den Verkäufer Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) bei NASA Goddard, die zeigte, wie Proxima b Wolken bilden kann, die so massiv sind, dass sie den gesamten Himmel bedecken.
Wie Ravi Kopparapu , ein NASA Goddard-Planetenwissenschaftler, der auch das potenzielle Klima von Exoplaneten modelliert, erklärte es:
„Wenn ein Planet gravitativ gesperrt ist und sich langsam um seine Achse dreht ein wolkenkreis bildet sich vor dem Stern, immer auf ihn gerichtet. Dies ist auf eine Kraft zurückzuführen, die als Coriolis-Effekt bekannt ist und Konvektion an der Stelle verursacht, an der der Stern die Atmosphäre erwärmt. Unsere Modellierung zeigt, dass Proxima b so aussehen könnte.“
Künstlerische Darstellung der Oberfläche des Planeten Proxima b, die den Roten Zwergstern Proxima Centauri umkreist. Oben rechts von Proxima selbst ist der Doppelstern Alpha Centauri AB zu sehen. Bildnachweis: ESO
Zusammen mit der Ozeanzirkulation würde dieser Wolkenkreis auch bedeuten, dass warme Luft und Wasser auf die dunkle Seite von Proxima b wandern können, wodurch Wärme übertragen und der gesamte Planet gastfreundlicher gemacht wird. „Sie verhindern also nicht nur, dass die Atmosphäre auf der Nachtseite ausfriert, sondern Sie schaffen auf der Nachtseite Teile, die flüssiges Wasser an der Oberfläche halten, obwohl diese Teile kein Licht sehen“, sagte Del Genio.
Neben der Zirkulation und Aufrechterhaltung von Wärme sind Atmosphären und Meeresströmungen auch für die Verteilung von Gasen und chemischen Elementen verantwortlich, die für das Leben, wie wir es kennen, notwendig sind – z. B. Sauerstoffgas, Kohlendioxid, Methan usw. Diese werden als „Biosignaturen“ bezeichnet, da sie sind für das Leben hier auf der Erde essenziell oder werden mit biologischen Prozessen in Verbindung gebracht.
Aber „wie wir es kennen“ ist hier das Stichwort. Gegenwärtig bleibt die Erde der einzige bekannte bewohnbare Planet, und die verschiedenen Lebensformen, die sie unterstützt, sind die einzigen Beispiele, die uns bekannt sind. Daher beschränkt sich die Suche nach Leben außerhalb der Erde derzeit auf die Suche nach Biosignaturen, die für bekannte Lebensformen notwendig sind (und mit ihnen verbunden sind). Dies nennen wir den „Low-hanging Fruit-Ansatz“.
Darüber hinaus hat sich die Erde in den letzten Milliarden Jahren erheblich weiterentwickelt, ebenso wie die Lebensformen, die sie beheimatet haben. Während Sauerstoffgas heute für Säugetiere unerlässlich ist, wäre es für photosynthetische Bakterien giftig gewesen, die in einer überwiegend aus Kohlendioxid und Stickstoff bestehenden Atmosphäre vor Milliarden von Jahren auf der Erde gediehen.
Während diese Art der Modellierung also nicht mit Sicherheit sagen kann, ob ein Planet bewohnt ist, kann sie die Suche sicherlich eingrenzen, indem sie zeigt, welche Kandidaten vielversprechende Ziele für Folgebeobachtungen sind. „Obwohl unsere Arbeit den Beobachtern nicht sagen kann, ob ein Planet bewohnbar ist oder nicht, können wir ihnen sagen, ob ein Planet gerade im Mittelfeld der guten Kandidaten für eine weitere Suche liegt“, sagte Del Genio.
Dies wird in den kommenden Jahren besonders hilfreich sein, wenn Teleskope der nächsten Generation ins All fliegen. Dazu gehören die James Webb Weltraumteleskop , das 2021 auf den Markt kommen soll, und die Weitfeld-Infrarot-Weltraumteleskop (WFIRST), die 2023 starten wird. Zusammen mit bodengestützten Observatorien wie dem Extrem großes Teleskop (ELT) ermöglichen diese Instrumente Wissenschaftlern erstmals, kleinere Planeten direkt zu beobachten.
Koronographien wie die Sternenschatten wird auch einen großen Unterschied machen, indem es das Licht von Sternen übertönt, das ansonsten das von der Atmosphäre eines Planeten reflektierte Licht verdeckt. Diese und andere Entwicklungen bedeuten, dass Astronomen auch die Atmosphären von felsigen Exoplaneten studieren können, um endlich mit Sicherheit sagen zu können, welche Planeten „potenziell bewohnbar“ sind.
Sehen Sie sich unbedingt diese Animation an, die zeigt, wie das Klima von Proxima b aussehen könnte, mit freundlicher Genehmigung von Del Genios Team und dem NASA Goddard Space Flight Center:
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