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Planetengrößen sind auch für die Bewohnbarkeit von Bedeutung.

Um als bewohnbar zu gelten, braucht ein Planet flüssiges Wasser. Zellen, die kleinste Einheit des Lebens, benötigen Wasser, um ihre Funktionen zu erfüllen. Damit flüssiges Wasser existieren kann, muss die Temperatur des Planeten stimmen. Aber wie sieht es mit der Größe des Planeten aus?

Ohne ausreichende Masse wird ein Planet nicht genug Gravitation haben, um sein Wasser zu halten. Eine neue Studie versucht zu verstehen, wie sich die Größe auf die Fähigkeit eines Planeten auswirkt, sein Wasser zu halten, und damit auf seine Bewohnbarkeit.

Die Frage, was einen Planeten bewohnbar machen könnte, ist eine anhaltende Debatte. Nicht nur für Exoplaneten, sondern für einige der Monde in der Zukunft unseres eigenen Sonnensystems. Wissenschaftler haben eine ziemlich gute Vorstellung davon, wie viel Energie ein Planet von seinem Stern erhalten muss, um flüssiges Wasser zu erhalten. Daraus entstand der populäre Begriff der „ Goldlöckchen-Zone “ oder die zirkumstellare bewohnbare Zone, eine Reichweite, die weder zu nah noch zu weit von einem Stern entfernt ist, als dass flüssiges Wasser auf einem Planeten bestehen könnte.

Da die Suche nach Exoplaneten in bewohnbaren Zonen voranschreitet und wir bessere Teleskope und Techniken bekommen, um Exoplaneten detaillierter zu untersuchen, brauchen Wissenschaftler mehr Einschränkungen hinsichtlich der Planeten, für die sie Ressourcen zur Beobachtung ausgeben. Wie dieses Papier zeigt, könnte die Masse eines Planeten ein nützlicher Filter sein.



Das neue Papier trägt den Titel „ Atmosphärenentwicklung auf Wasserwelten mit geringer Schwerkraft .“ Es wurde im Astrophysical Journal veröffentlicht. Der Hauptautor ist Constantin W. Arnscheidt, Student am MIT.

Um flüssiges Wasser und eine Atmosphäre auf seiner Oberfläche zu halten, muss ein Exoplanet oder ein Exomon genügend Masse haben, sonst driften Wasser und Atmosphäre einfach in den Weltraum ab. Und es muss lange genug an seinem Wasser festhalten, damit Leben auftauchen kann. Astronomen verwenden dafür eine Schätzung von einer Milliarde Jahre.



„Wenn die Leute an den inneren und äußeren Rand der bewohnbaren Zone denken, denken sie meist nur räumlich, also wie nah der Planet dem Stern ist“, sagt Constantin Arnscheidt, Erstautor des Papiers. „Aber tatsächlich gibt es viele andere Variablen für die Bewohnbarkeit, einschließlich der Masse. Das Festlegen einer unteren Grenze für die Bewohnbarkeit in Bezug auf die Planetengröße stellt uns eine wichtige Einschränkung bei unserer laufenden Jagd nach bewohnbaren Exoplaneten und Exomonen dar.“

In der „Goldlöckchen“-Zone um einen Stern ist ein Planet weder zu heiß noch zu kalt, um flüssiges Wasser zu tragen. Neue Forschungen zeigen jedoch, dass Planeten nicht nur im richtigen Nahbereich liegen müssen, um als bewohnbar zu gelten, sondern auch über eine ausreichende Masse verfügen. Illustration von Petigura/UC Berkeley, Howard/UH-Manoa, Marcy/UC Berkeley.

Die Größe und Reichweite der bewohnbaren Zone hängt vom Stern ab. Ein kleinerer, weniger energiereicher Stern wie ein Roter Zwerg schafft eine bewohnbare Zone, die näher bei sich liegt als ein größerer Stern wie unsere Sonne. Dies ist gut verständlich. Ist ein Planet zu weit vom Stern entfernt, gefriert das Wasser. Zu nah, und der außer Kontrolle geratene Treibhauseffekt tritt auf, und das Wasser verwandelt sich in Dampf und kann in den Weltraum verdampfen.

Aber für kleine Planeten mit geringerer Masse passiert noch mehr. Sie können dem außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt widerstehen.



Wenn sich ein Planet mit geringerer Masse erwärmt, dehnt sich die Atmosphäre aus. Es wird größer im Verhältnis zur Größe des Planeten, den er umgibt. Das hat zwei Effekte: Durch die größere Oberflächengröße kann die Atmosphäre mehr Energie aufnehmen als früher und sie kann auch mehr Energie abstrahlen als früher.

Das Gesamtergebnis, so die Forscher, ist, dass die expandierte Atmosphäre den außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt zum Stillstand bringt und sie ihr flüssiges Oberflächenwasser aufrechterhalten können. Dies bedeutet, dass sie ihrem Stern näher sein können, ohne ihr Wasser zu verlieren, wodurch die Goldlöckchen-Zone für kleinere Exoplaneten erweitert wird.

Es gibt natürlich eine Grenze. Wenn ein Planet mit geringer Masse zu klein ist, hat er nicht genug Gravitation, und die Atmosphäre wird entfernt, und das Wasser wird entweder mitgerissen oder an der Oberfläche gefroren. Das bedeutet, dass die Lebensaussichten düster sind. Die Forscher sagen, dass es eine kritische Untergrenze für die Bewohnbarkeit eines Planeten gibt. Das bedeutet, dass es nicht nur eine Nähe zum Stern gibt, die die Bewohnbarkeit eines Planeten bestimmt, sondern auch eine Größenbeschränkung.

Einfach ausgedrückt, ein Planet kann zu klein sein, um bewohnbar zu sein, selbst wenn er sich in der Goldlöckchen-Zone befindet.

Diese Abbildung zeigt die untere Grenze für die Bewohnbarkeit in Bezug auf die Masse eines Planeten. Wenn ein Objekt kleiner als 2,7 Prozent der Erdmasse ist, entweicht seine Atmosphäre, bevor es jemals die Möglichkeit hat, flüssiges Oberflächenwasser zu entwickeln (Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Harvard SEAS).

Diese kritische Größe beträgt laut Arnscheidt und den anderen Autoren der Studie 2,7 Prozent der Erdmasse. Sie sagen, dass jeder, der kleiner ist, einfach nicht in der Lage sein wird, seine Atmosphäre und sein Wasser lange genug zu halten, damit Leben auftaucht. Der Mond macht 1,2 Prozent der Erdmasse aus und Merkur 5,53 Prozent.

Als Beispiel nehmen die Forscher kometenähnliche Planeten. Kometen haben viel Wasser, das sublimiert wird, wenn sie sich der Sonne nähern. Ihnen fehlt jedoch die erforderliche Masse, um diesen Dampf festzuhalten, und sie können niemals eine Atmosphäre bilden. Das Wasser geht in den Weltraum verloren. Ein zu kleiner Planet würde sich also, selbst wenn er viel Wasser hätte, nie daran festhalten.

Die Forscher verwendeten Modelle, um die bewohnbare Zone des massearmen Planeten um zwei verschiedene Arten von Sternen abzuschätzen: einen M-Typ oder roten Zwergstern und einen G-Typ-Stern wie unsere Sonne.

Künstlerische Illustration eines Exoplaneten und seines Mondes, der einen roten Zwergstern umkreist. Von NASA/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics/D. Aguilar – http://www.nasa.gov/sites/default/files/reddwarfplanet_cfa_full_1.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31666101

Sie haben möglicherweise auch eine andere seit langem bestehende Frage der Bewohnbarkeit in unserem eigenen Sonnensystem gelöst. Jupiters Monde Ganymed , Kallisto , und Europa alle haben viel flüssiges Wasser, eingeschlossen unter Eisschichten. Astronomen haben sich gefragt, ob sie bewohnbar wären, wenn die Sonne irgendwann in ihrer stellaren Zukunft mehr Energie ausstrahlt. Aber nach den Arbeiten der Autoren fehlt ihnen die Masse, um dieses Wasser festzuhalten, selbst wenn sie warm genug geworden sind. Ganymed kommt mit 2,5 % Erdmasse nahe heran, ist aber klein genug, um „kometenartig“ zu sein und sein gesamtes Wasser an den Weltraum zu verlieren.

„Geringe Masse Wasserwelten sind eine faszinierende Möglichkeit auf der Suche nach Leben, und dieser Artikel zeigt, wie unterschiedlich ihr Verhalten wahrscheinlich von dem von erdähnlichen Planeten ist“, sagte Robin Wordsworth, außerordentlicher Professor für Umweltwissenschaften und -technik am SEAS und leitender Autor von die Studium. „Sobald Beobachtungen für diese Klasse von Objekten möglich sind, wird es spannend, diese Vorhersagen direkt zu testen.“

Wie sich herausstellt, hat die Erde nicht nur die richtige Entfernung von der Sonne, um bewohnbar zu sein, sondern unser Planet hat auch den richtigen Massenbereich. Bildnachweis: NASA Goddard Space Flight Center

Die Forscher haben bei ihrer Arbeit einige notwendige Annahmen getroffen. Sie nahmen an, dass die Atmosphäre ihrer massearmen Welten reiner Wasserdampf sei. Sie gingen auch davon aus, dass das Wasser auf 40% der Masse des Planeten fixiert war. Sie ignorierten auch bestimmte andere Faktoren wie CO2-Zyklus, Wolkenbedeckung und Ozeanchemie. Es gibt einfach zu viele Variablen, um sie in dieser Phase ihrer Arbeit zu modellieren.

Die Autoren sprechen auch die Idee von bewohnbaren Exomonen statt Exoplaneten. Es ist denkbar, dass Monde in anderen Sonnensystemen eher bewohnbar sind als Planeten. In diesem Fall kommen andere Faktoren ins Spiel, wie zum Beispiel Gezeitenkräfte. Das könnte besonders in der Umgebung zutreffen M-Typ Sterne oder rote Zwerge. Das liegt daran, dass die zirkumstellare bewohnbare Zone um diese niederenergetischen Sterne bereits viel näher am Stern liegt als um a G-Typ Stern wie unsere Sonne. Die kombinierten Gravitationskräfte des Exomoons, seines Planeten und des Sterns könnten die Bewohnbarkeit vollständig beseitigen.

Sie erkennen auch einige der vielen anderen Faktoren an, die die Bewohnbarkeit beeinflussen. Auch wenn Monde wie Ganymed in ihrem Modell möglicherweise zu klein sind, um bewohnbar zu sein, können sie sehr wohl Leben in ihren unterirdischen Ozeanen sein, wo das Wasser durch eine dicke Eisschicht am Entweichen gehindert wird.

Es gibt noch viel zu tun, um die Bewohnbarkeit zu bestimmen. Wie die Autoren in ihrem Papier sagen: 'Weitere Arbeiten könnten kompliziertere Modelle der hydrodynamischen Flucht in Betracht ziehen.' Exoplaneten sind vielfältiger und komplexer, als wir derzeit wissen, aber diese Studie beginnt, einige davon anzugehen.

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