Bei der Jagd nach potenziell bewohnbaren Exoplaneten , ist eines der wichtigsten Dinge, nach denen Astronomen suchen, ob Exoplaneten-Kandidaten innerhalb ihres Sterns kreisen bewohnbare Zone . Dies ist notwendig, damit flüssiges Wasser auf der Oberfläche eines Planeten existieren kann, was wiederum eine Voraussetzung für das Leben, wie wir es kennen, ist. Im Zuge der Entdeckung neuer Exoplaneten sind Wissenschaftler jedoch auf einen Extremfall aufmerksam geworden, der als „ Wasserwelten '.
Wasserwelten sind im Wesentlichen Planeten mit einer Masse von bis zu 50% aus Wasser, was zu Oberflächenozeanen führt, die Hunderte von Kilometern tief sein können. nach a neue Studie von einem Team von Astrophysikern aus Princeton, der University of Michigan und Harvard werden Wasserwelten möglicherweise nicht lange an ihrem Wasser festhalten können. Diese Erkenntnisse könnten von immenser Bedeutung sein, wenn es um die Jagd nach bewohnbaren Planeten in unserem Hals des Kosmos geht.
Diese neueste Studie mit dem Titel „ Die Austrocknung von Wasserwelten durch atmosphärische Verluste “, erschien kürzlich in The Astrophysical Journal Letters. Unter der Leitung von Chuanfei Dong vom Department of Astrophysical Sciences der Princeton University führte das Team Computersimulationen durch, die berücksichtigten, welchen Bedingungen Wasserwelten ausgesetzt sein würden.
Künstlerische Darstellung des Planeten, der einen Roten Zwergstern umkreist. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser
Diese Studie wurde hauptsächlich durch die Zahl der Entdeckungen von Exoplaneten motiviert, die in den letzten Jahren um massearme Sternsysteme vom Typ M (Roter Zwerg) gemacht wurden. Es wurde festgestellt, dass diese Planeten in ihrer Größe mit der Erde vergleichbar sind – was darauf hindeutet, dass sie wahrscheinlich terrestrisch (d. h. felsig) waren. Darüber hinaus sind viele dieser Planeten – wie zum Beispiel Nächstes b und drei Planeten innerhalb der TRAPPIST-1 System – innerhalb der bewohnbaren Zonen der Sterne kreisen.
Spätere Studien zeigten jedoch, dass Nächstes b und andere Gesteinsplaneten Roten Zwergsterne umkreisen könnten tatsächlich Wasserwelten sein. Dies basierte auf Massenschätzungen, die durch astronomische Vermessungen gewonnen wurden, und den eingebauten Annahmen, dass solche Planeten von Natur aus felsig waren und keine massiven Atmosphären hatten. Gleichzeitig wurden zahlreiche Studien erstellt, die Zweifel aufkommen lassen, ob diese Planeten in der Lage sein würden, ihr Wasser zu halten oder nicht.
Im Wesentlichen kommt es auf die Art des Sterns und die Bahnparameter der Planeten an. Rote Zwerge sind zwar langlebig, aber dafür bekannt, dass sie im Vergleich zu unserer Sonne variabel und instabil sind, was dazu führt, dass periodisches Aufflammen das würde die Atmosphäre eines Planeten im Laufe der Zeit zerstören. Darüber hinaus wären Planeten, die innerhalb der bewohnbaren Zone eines Roten Zwergs kreisen, wahrscheinlich durch Gezeiten blockiert, was bedeutet, dass eine Seite des Planeten ständig der Strahlung des Sterns ausgesetzt wäre.
Aus diesem Grund konzentrieren sich die Wissenschaftler darauf, zu bestimmen, wie gut Exoplaneten in verschiedenen Arten von Sternensystemen ihre Atmosphären halten können. Wie Dr. Dong Universe Today per E-Mail sagte:
„Man kann mit Fug und Recht sagen, dass das Vorhandensein einer Atmosphäre als eine der Voraussetzungen für die Bewohnbarkeit eines Planeten angesehen wird. Allerdings ist das Konzept der Bewohnbarkeit ein komplexes Konzept, bei dem unzählige Faktoren involviert sind. Daher wird eine Atmosphäre allein nicht ausreichen, um die Bewohnbarkeit zu garantieren, aber sie kann als wichtiger Bestandteil für die Bewohnbarkeit eines Planeten angesehen werden.“
Abbildung, die die mögliche Oberfläche von TRAPPIST-1f zeigt, einem der neu entdeckten Planeten im TRAPPIST-1-System. Credits: NASA/JPL-Caltech
Um zu testen, ob eine Wasserwelt ihre Atmosphäre halten kann, führte das Team Computersimulationen durch, die verschiedene mögliche Szenarien berücksichtigten. Dazu gehörten die Auswirkungen stellarer Magnetfelder, koronaler Massenauswürfe und atmosphärischer Ionisation und Auswurf für verschiedene Arten von Sternen – einschließlich Sterne vom Typ G (wie unsere Sonne) und Sterne vom Typ M (wie Proxima Centauri und TRAPPIST-1).
Unter Berücksichtigung dieser Effekte leiteten Dr. Dong und seine Kollegen ein umfassendes Modell ab, das simulierte, wie lange die Atmosphären von Exoplaneten andauern würden. Wie er es erklärte:
„Wir haben ein neues magnetohydrodynamisches Multifluid-Modell entwickelt. Das Modell simulierte sowohl die Ionosphäre als auch die Magnetosphäre als Ganzes. Aufgrund des Dipolmagnetfelds kann der Sternwind die Atmosphäre nicht direkt wegfegen (wie der Mars aufgrund des Fehlens eines globalen Dipolmagnetfelds), stattdessen wurde der atmosphärische Ionenverlust durch den Polarwind verursacht.
„Die Elektronen sind weniger massiv als ihre Elternionen und werden daher leichter auf die Fluchtgeschwindigkeit des Planeten und darüber hinaus beschleunigt. Diese Ladungstrennung zwischen den entweichenden, massearmen Elektronen und den deutlich schwereren, positiv geladenen Ionen baut ein elektrisches Polarisationsfeld auf. Dieses elektrische Feld wiederum bewirkt, dass die positiv geladenen Ionen hinter den entweichenden Elektronen aus der Atmosphäre in den Polkappen gezogen werden.“
Künstlerische Darstellung des Blicks vom entferntesten Exoplaneten, der um den Roten Zwergstern TRAPPIST-1 entdeckt wurde. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser.
Sie fanden heraus, dass ihre Computersimulationen mit dem aktuellen Erde-Sonne-System übereinstimmten. Bei einigen extremen Möglichkeiten – wie bei Exoplaneten um Sterne vom Typ M – ist die Situation jedoch ganz anders und die Fluchtraten könnten tausendmal höher oder höher sein. Das Ergebnis bedeutet, dass selbst eine Wasserwelt, wenn sie einen Roten Zwergstern umkreist, nach etwa einem Gigajahr (Gyr), also einer Milliarde Jahren, ihre Atmosphäre verlieren könnte.
Wenn man bedenkt, dass das Leben, wie wir es kennen, etwa 4,5 Milliarden Jahre brauchte, um sich zu entwickeln, ist eine Milliarde Jahre ein relativ kurzes Zeitfenster. Tatsächlich zeigen diese Ergebnisse, wie Dr. Dong erklärte, dass Planeten, die Sterne vom M-Typ umkreisen, es schwer haben würden, Leben zu entwickeln:
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Ozeanplaneten (die einen sonnenähnlichen Stern umkreisen) ihre Atmosphären viel länger als die Gyr-Zeitskala beibehalten werden, da die Ionenaustrittsraten viel zu niedrig sind, daher kann das Leben auf diesen Planeten länger entstehen.“ und entwickeln sich in der Komplexität. Im Gegensatz dazu könnten bei Exoplaneten, die M-Zwerge umkreisen, ihre Ozeane über der Gyr-Zeitskala aufgrund der intensiveren Partikel- und Strahlungsumgebungen, die Exoplaneten in nahen bewohnbaren Zonen erleben, erschöpft sein. Wenn die Atmosphäre auf der Zeitskala weniger als Gyr erschöpft wäre, könnte sich dies als problematisch für die Entstehung des Lebens (Abiogenese) auf dem Planeten erweisen.“
Wieder einmal lassen diese Ergebnisse Zweifel an der möglichen Bewohnbarkeit von Roten Zwergsternsystemen aufkommen. In der Vergangenheit haben Forscher darauf hingewiesen, dass die Langlebigkeit von Roten Zwergsternen , die bis zu 10 Billionen Jahre oder länger in ihrer Hauptreihenfolge verbleiben können, machen sie zum besten Kandidaten für die Suche nach bewohnbaren Exoplaneten. Die Stabilität dieser Sterne und die Art und Weise, wie sie wahrscheinlich Planeten ihrer Atmosphäre entziehen, scheinen jedoch auf etwas anderes hinzuweisen.
Künstlerische Darstellung von Planeten, die einen Roten Zwergstern im TRAPPIST-1-System durchlaufen. Bildnachweis: NASA/ESA/STScl
Studien wie diese sind daher insofern von großer Bedeutung, als sie helfen zu untersuchen, wie lange ein potenziell bewohnbarer Planet um einen Roten Zwergstern potenziell bewohnbar bleiben könnte. Wie Dr. Dong sagte:
„Angesichts der Bedeutung des atmosphärischen Verlustes für die Bewohnbarkeit von Planeten besteht großes Interesse daran, Teleskope wie das kommende James Webb Space Telescope (JWST) zu verwenden, um zu bestimmen, ob diese Planeten Atmosphären haben und wenn ja, wie ihre Zusammensetzung ist.“ . Es wird erwartet, dass das JWST in der Lage sein sollte, diese Atmosphären (sofern vorhanden) zu charakterisieren, aber die genaue Quantifizierung der Fluchtraten erfordert ein viel höheres Maß an Präzision und ist in naher Zukunft möglicherweise nicht durchführbar.“
Die Studie ist auch für unser Verständnis des Sonnensystems und seiner Entwicklung von Bedeutung. Wissenschaftler haben einst gewagt, dass sowohl die Erde als auch Venus könnten Wasserwelten gewesen sein. Wie sie den Übergang von sehr wässrig zu dem machten, was sie heute sind – im Fall der Venus trocken und höllisch; und im Fall der Erde, mehrere Kontinente zu haben, ist eine alles entscheidende Frage.
Für die Zukunft werden detailliertere Untersuchungen erwartet, die dazu beitragen könnten, diese konkurrierenden Theorien zu beleuchten. Wenn das James Webb Weltraumteleskop (JWST) wird im Frühjahr 2018 eingesetzt und wird seine leistungsstarken Infrarotfunktionen nutzen, um Planeten um nahegelegene Rote Zwerge zu untersuchen, darunter Proxima b. Was wir über diesen und andere entfernte Exoplaneten lernen, wird viel dazu beitragen, unser Verständnis darüber zu verbessern, wie sich auch unser eigenes Sonnensystem entwickelt hat.
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