Extrasolare Planeten werden in rasantem Tempo entdeckt, mit 4.531 Planeten in 3.363 Systemen (wobei weitere 7.798 Kandidaten auf ihre Bestätigung warten). Von diesen wurden 166 als Gesteinsplaneten (auch bekannt als „erdähnlich“) identifiziert, während weitere 1.389 Gesteinsplaneten waren, die mehrere Male so groß wie die Erde sind („Super-Erden“). Da immer mehr Entdeckungen gemacht werden, verschiebt sich der Fokus vom Entdeckungsprozess hin zur Charakterisierung.
Um strengere Beschränkungen hinsichtlich der Bewohnbarkeit dieser Exoplaneten aufzustellen, suchen Astronomen und Astrobiologen nach Möglichkeiten, Biomarker und andere Anzeichen biologischer Prozesse zu erkennen. nach a neue Studie Astronomen und Astrobiologen sollten nach Hinweisen auf einen Kohlenstoff-Silikat-Zyklus suchen. Auf der Erde sorgt dieser Zyklus dafür, dass unser Klima über Äonen hinweg stabil bleibt und könnte der Schlüssel sein, um Leben auf anderen Planeten zu finden.
Die Studie mit dem Titel „ Kohlenstoffkreislauf und Bewohnbarkeit massiver erdähnlicher Exoplaneten “ wurde von Amanda Kruijver, Dennis Höning und Wim van Westrenen geleitet – drei Geowissenschaftlern der Vrije Universiteit Amsterdam. Höning ist auch Stipendiat der Ursprungszentrum , ein in den Niederlanden ansässiges nationales Wissenschaftsinstitut, das sich der Erforschung der Ursprünge und der Entwicklung des Lebens in unserem Universum verschrieben hat. Ihre Studie wurde kürzlich in . veröffentlichtDas Planetary Science Journal.
Dieses Diagramm des schnellen Kohlenstoffkreislaufs zeigt die Kohlenstoffbewegung zwischen Land, Atmosphäre und Ozeanen. Bildnachweis: US-DOE/BERIS
Auf der Erde sorgt dieser zweistufige Kreislauf dafür, dass Kohlendioxid (CO2) in unserer Atmosphäre im Laufe der Zeit relativ konstant bleiben. Dieser erste Schritt besteht darin, dass Kohlendioxid aus unserer Atmosphäre entfernt wird, indem es mit Wasserdampf reagiert, um Kohlensäure zu bilden, die verwittert und Silikatgestein auflöst. Die Produkte dieser Verwitterung werden in die Ozeane gespült (Bildung von Karbonatgestein), die auf den Meeresboden sinken und Teil des Erdmantels werden.
Hier kommt der zweite Schritt ins Spiel. Im Mantel angekommen, werden Karbonatgesteine eingeschmolzen, um Silikatmagma und CO . zu erzeugen2Gas, das durch Vulkanausbrüche wieder in die Atmosphäre entlassen wird. Wie Dr. Höning Universe Today per E-Mail erklärte, wird der Prozess auch von Veränderungen der Oberflächenbedingungen beeinflusst:
„Wichtig ist, dass die Geschwindigkeit dieses Prozesses von der Oberflächentemperatur abhängt: Wird die Oberfläche heißer, beschleunigen sich die Verwitterungsreaktionen und mehr CO2aus der Atmosphäre entfernt werden kann. Da CO2ist ein Treibhausgas, dieser Mechanismuskühltnach unten, so dass wir ein stabilisierendes Feedback haben. Wir müssen darauf hinweisen, dass diese stabilisierende Rückkopplung lange Zeit braucht, um effizient zu sein, in der Größenordnung von Hunderttausenden oder sogar Millionen von Jahren.“
Eine wichtige Überlegung dabei ist, wie die Sonne mit der Zeit heißer wird, fügte Dr. Höning hinzu. Im Vergleich zur frühen Erdgeschichte erhält unser Planet heute etwa 30 % mehr Energie von der Sonne, weshalb atmosphärisches CO2Die Werte waren in der fernen Vergangenheit höher. Daher kann man mit Sicherheit sagen, dass die Verwitterung mit zunehmendem Alter eines Planeten stärker wird und das atmosphärische CO2Die Niveaus werden zu diesem Zeitpunkt ihrer Entwicklung mit zunehmender Geschwindigkeit sinken.
Die terrestrischen Planeten unseres Sonnensystems in ungefährer relativer Größe (von links nach rechts): Merkur, Venus, Erde und Mars. Bildnachweis: LPI
Da es sich um einen einfachen chemischen Prozess handelt, gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass ein Kohlenstoff-Silikat-Kreislauf auf anderen Planeten nicht funktionieren könnte – vorausgesetzt, sie haben flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche. Für Exoplanetenforscher und Astrobiologen war die Anwesenheit von flüssigem Wasser entscheidend für die anhaltende Suche nach außerirdischem Leben. Die Frage der Plattentektonik wurde ebenfalls angesprochen, da diese eine bedeutende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Bewohnbarkeit der Erde im Laufe der Zeit spielt. Dr. Höning sagte:
„In unserem eigenen Sonnensystem hat nur der Planet Erde Plattentektonik und damit Subduktion. Der Grund dafür ist nicht ganz klar und Gegenstand moderner Studien – wahrscheinlich hat es mit der Gesteinszusammensetzung, der Planetengröße, der Oberflächentemperatur oder mit der Existenz von flüssigem Wasser auf der Oberfläche selbst zu tun.
„Wenn wir auf einem Exoplaneten Verwitterung, aber keine Subduktion hätten, würden sich die produzierten Karbonate an der Oberfläche ansammeln und nach Millionen von Jahren wieder instabil werden. Wir haben dieses Szenario in früheren Arbeiten untersucht und festgestellt, dass das Klima immer noch zu einem gewissen Grad reguliert wird, wenn auch etwas weniger effizient als mit der Plattentektonik, wie in dieser Arbeit angenommen.“
Dr. Höning und seine Kollegen sind kaum allein, wenn es darum geht zu untersuchen, ob Plattentektonik und geologische Aktivität lebensnotwendig sind. In den letzten Jahren wurden ähnliche Untersuchungen durchgeführt, die untersuchten, ob stagnierende Deckelplaneten (bei denen die Oberfläche und der Mantel aus einer inaktiven Platte bestehen), die von Ozeanen bedeckt sind, noch einen Kohlenstoffkreislauf haben könnten – mit ermutigende Ergebnisse .
Künstlerische Darstellung, wie erdähnliche Exoplaneten aussehen könnten. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Für ihre Studie wollten Dr. Höning und seine Kollegen herausfinden, ob ein Kohlenstoff-Silikat-Zyklus auf anderen Gesteinsplaneten möglich wäre, die von „erdähnlich“ bis „Supererden“ reichen. Dazu erstellten sie ein Modell, das den Karbonat-Silikat-Kreislauf der Erde nachbildete und alle relevanten Prozesse berücksichtigte. Dies umfasste alle relevanten Prozesse, wie innere Evolution, vulkanische Ausgasung, Verwitterung und Subduktion, und überlegte, wie sie auf Größen- und Massenänderungen empfindlich reagieren könnten.
„Zum Beispiel nimmt der Druck innerhalb massereicher Planeten mit der Tiefe stärker zu, da die Gravitation höher ist“, sagt Dr. Höning. „Der Druck hat Einfluss auf die Schmelztiefe und auch auf die Stärke der Mantelkonvektion, die die Innenkühlgeschwindigkeit bestimmt. Daher haben wir alle Modellteile aktualisiert, die empfindlich auf die Größe oder Masse des Planeten reagieren, und konnten daher den Einfluss dieser Parameter auf die Bewohnbarkeit von Exoplaneten untersuchen.“
Sie fanden heraus, dass eine Zunahme der Masse (bis zu einem Punkt) zu höheren durchschnittlichen Oberflächentemperaturen führen würde, wodurch sich die zirkumsolare bewohnbare Zone des Planeten (auch bekannt als „Goldlöckchen-Zone“) verändert. Dr. Höning sagte:
„Wir fanden heraus, dass Exoplaneten des Erdalters, aber ~3-mal massereicher, höhere vulkanische Ausgasungsraten aufweisen sollten, da ihr Inneres viel heißer und die Mantelkonvektion daher stärker ist. Der Karbonat-Silikat-Zyklus kann das Klima auf diesen Planeten noch regulieren, dennoch erwarten wir eine heißere Oberfläche. Daher ist der optimale Abstand zwischen dem Planeten und dem Stern, um flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche zu halten, etwas weiter entfernt als die Entfernung der Erde von der Sonne.“
Die Ergebnisse waren jedoch das Gegenteil, als sie die Masse eines felsigen Planeten auf das 10-fache der Masse der Erde erhöhten (was ~2 Erdradien entspricht). „Hier ist der Druck innerhalb dieser Planeten so groß, dass vulkanische Aktivität und das Ausgasen von CO2kleiner wird“, sagt er. „Da die Wärme aus ihrem Inneren jedoch nicht so effizient verloren geht, kann das Ausgasen von CO2wird in der späteren Evolution besonders effizient. Leider nimmt auch die Leuchtkraft der Sterne mit der Zeit zu, sodass der Planet dann möglicherweise zu heiß wird, als dass flüssiges Wasser existieren könnte.“
Künstlerische Vorstellung des erdgroßen Exoplaneten LHS 3844b, der nach Beobachtungen des Spitzer-Weltraumteleskops der NASA mit dunklem Vulkangestein bedeckt sein könnte. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/R. Verletzt (IPAC)
Es gibt viele Erkenntnisse aus diesen Ergebnissen. Zum einen zeigt die Studie, dass Größe und Masse wichtige Parameter für die Bewohnbarkeit der Planeten sind. Gleichzeitig gehören Größe und Masse zu den ganz wenigen Parametern, auf die Wissenschaftler derzeit Zugriff haben. Wie bei den verfügbaren Nachweismitteln – die Transit-Methode beispielsweise kann diese beiden Eigenschaften sehr gut einschränken – sind die Wissenschaftler auf indirekte Weise etwas eingeschränkt und müssen sich auf Extrapolationen und Modellierungen verlassen.
Diese beiden Parameter sind jedoch immer noch sehr nützlich, um einzuschränken, welche Arten von Gesteinsplaneten bewohnbar sein könnten und welche wahrscheinlich nicht das Leben unterstützen. Darüber hinaus zeigen sie, wie das Alter und die Masse eines Planeten eine bedeutende Rolle bei der Aufrechterhaltung eines Kohlenstoffkreislaufs und damit der Bewohnbarkeit des Planeten spielen. Durch die gemeinsame Betrachtung dieser Faktoren können Wissenschaftler sagen, ob ein Planet „möglicherweise selbstbewusster bewohnbar“ ist. Wie Dr. Höning zusammenfasst:
„Ein Hauptergebnis unserer Arbeit ist, dass wir uns wirklich die Kombination von Planetengröße und Alter ansehen sollten, um eine Vorstellung von der Bewohnbarkeit zu bekommen. Erdgroße Planeten sollten für einen sehr langen Zeitraum bewohnbar sein, aber ihre Atmosphären sind natürlich schwieriger zu charakterisieren als bei größeren Planeten. Planeten mit der 3-fachen Erdmasse (die den gleichen stellaren Fluss erhalten) sollten eine heißere Oberfläche als die Erde haben (Unterschied ~10K). Noch massereichere Planeten, die den gleichen Sternenfluss erhalten, sind etwas kühler, würden sich aber später in ihrer Entwicklung erheblich aufheizen.“
Darüber hinaus wird diese Studie von Vorteil sein, wenn Teleskope der nächsten Generation bHöninge verfügbar werden und direkte Beobachtungen von Exoplaneten durchführen können. Das erwarten Astronomen von der kommenden James Webb Weltraumteleskop (JWST), die Römisches Weltraumteleskop Nancy Grace , und bodengebundene Observatorien wie die Extrem großes Teleskop (ELT), die Riesen-Magellan-Teleskop (GMT) und die Dreißig-Meter-Teleskop (TMT).
Durch die direkte Beobachtung von Licht, das von der Atmosphäre eines Exoplaneten reflektiert wird, erhalten Astronomen Spektren, die die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre enthüllen. Diese Forschung könnte für zukünftige Studien verwendet werden, um den Nachweis von atmosphärischem CO2in seinen richtigen Kontext. Kurz gesagt, Astrobiologen werden feststellen, ob dies ein Hinweis auf geologische Aktivität ist und daher als möglicher Hinweis auf die Bewohnbarkeit interpretiert werden kann.
Ein weiterer ermutigender Aspekt der Studie ist, dass der Karbonat-Silikat-Kreislauf auch bei Gesteinsplaneten unterschiedlicher Masse und Größe ein effizienter Klimaregulator bleibt. Wenn Wissenschaftler Beweise für diesen Zyklus auf Exoplaneten entdecken, können sie sicher sein, dass er auf eine potenzielle Bewohnbarkeit hindeutet, egal wie massiv der Planet ist. „Wir können also optimistisch bleiben, in Zukunft außerirdisches Leben zu finden!“ sagte Dr. Höning.
Weiterlesen: arXiv
