In den letzten Jahrzehnten ist die Zahl der außerhalb unseres Sonnensystems entdeckten Planeten exponentiell gewachsen. Bis heute insgesamt 4.158 Exoplaneten wurden in 3.081 Systemen bestätigt, weitere 5.144 Kandidaten warten auf ihre Bestätigung. Dank der Fülle an Entdeckungen sind Astronomen in den letzten Jahren vom Entdeckungsprozess zum Charakterisierungsprozess übergegangen.
Insbesondere entwickeln Astronomen Werkzeuge, um zu beurteilen, welcher dieser Planeten Leben beherbergen könnte. Kürzlich hat ein Team von Astronomen der Carl Sagan Institut (CSI) an der Cornell University einen Umwelt-„Decoder“ entwickelt, der auf der Farbe der Oberflächen von Exoplaneten und ihren Wirtssternen basiert. In Zukunft könnte dieses Werkzeug von Astronomen verwendet werden, um zu bestimmen, welche Exoplaneten potenziell bewohnbar und für Folgestudien würdig sind.
Diese neue Methode wird in einer Studie beschrieben, die kürzlich in derMonatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society, mit dem Titel „ Wie Oberflächen das Klima bewohnbarer Exoplaneten prägen .“ Die Studie wurde von Jack Madden, einem Ph.D. Student am Carl Sagan Institute (CSI) und Lisa Kaltenegger – außerordentlicher Professor für Astronomie in Cornell und Direktor des CSI.
Künstlerische Darstellung von Kepler-1649c, die seinen Wirtsstern umkreist. Bildnachweis: Ames Research Center der NASA/Daniel Rutter
Wie sie in ihrer Studie andeuten, werden Astronomen in den kommenden Jahren Exoplaneten im Detail studieren können. Dank der Fortschritte in der adaptiven Optik, Koronographen, Spektrometern und Interferometrie werden Weltraum- und bodengestützte Teleskope der nächsten Generation in der Lage sein, kleinere Exoplaneten direkt abzubilden, die näher an ihren Sternen kreisen – wo normalerweise Gesteinsplaneten innerhalb der bewohnbaren Sterne umkreisen Zonen.
Leider bleibt es eine Herausforderung, Zeit mit einem fortschrittlichen Teleskop zu buchen, und die Ressourcen von Exoplanetenjägern sind immer noch begrenzt. Daher werden Astronomen immer noch eine Methode benötigen, um die lange Liste von Kandidaten einzugrenzen, damit sie wissen, welche Planeten mit höherer Wahrscheinlichkeit positive Ergebnisse liefern. Als Madden erklärt in einem kürzlich erschienenen Cornell Chronicle:
„Wir haben uns angeschaut, wie sich verschiedene Planetenoberflächen in den bewohnbaren Zonen entfernter Sonnensysteme auf das Klima auf Exoplaneten auswirken könnten… Reflektiertes Licht auf der Oberfläche von Planeten spielt nicht nur für das Gesamtklima, sondern auch für die nachweisbaren Spektren der Erde eine bedeutende Rolle. wie Planeten.“
Für ihre Studie überlegten sie, wie verschiedene Planetenoberflächen das Klima, die atmosphärische Zusammensetzung und die aus der Ferne nachweisbaren Spektren eines Gesteinsplaneten abhängig von der Natur des Wirtssterns beeinflussen können. Insgesamt betrachteten sie Sterne, die von den Spektralklassen F0V bis K7V reichen, was alles von Gelb-Weißen Hauptreihen-Zwergen bis zu Orangen Hauptreihen-Zwergen umfasst.
Künstlerische Darstellung des Morgan-Keenan-Spektraldiagramms, das zeigt, wie sich Sterne in Farbe und Größe unterscheiden. Quelle: Wikipedia Commons
Madden und Kaltenegger kombinierten diese Informationen dann, um zu sehen, wie sich das Zusammenspiel von Oberflächenmerkmalen und verschiedenen Sternentypen auf die Bewohnbarkeit auswirken würde. Zum Beispiel würde ein terrestrischer Planet mit viel Basaltgestein sogar das Licht eines kühleren Sterns vom Typ K absorbieren und sehr heiß werden. Aber das Vorhandensein von Sand (das Ergebnis von Wind- und Wassererosion), Wolken und Laub würde eine kühlende Wirkung haben.
Daraus konnten Madden und Kaltenegger eine aktualisierte Version des bewährten 1D-Klima-Photochemie-Modells erstellen. Diese neue Version wird es Astronomen ermöglichen, die Bewohnbarkeit von felsigen Exoplaneten anhand ihrer wellenlängenabhängigen Oberflächenalbedo zu charakterisieren. Wie Kaltenegger erklärte:
„Abhängig von der Art des Sterns und der Primärfarbe des Exoplaneten – oder der reflektierenden Albedo – kann die Farbe des Planeten einen Teil der vom Stern abgegebenen Energie abschwächen. Was die Oberfläche eines Exoplaneten ausmacht, wie viele Wolken den Planeten umgeben und die Farbe der Sonne kann das Klima eines Exoplaneten erheblich verändern.'
Madden vergleicht es mit einer Person, die ein dunkles oder helles Hemd trägt. An einem heißen Tag absorbiert ein schwarzes Hemd Wärme und lässt eine Person sich heißer fühlen, während ein weißes Hemd sie ableitet. Das gleiche gilt für Sterne und Planeten, die sie umkreisen. „Es gibt eine wichtige Wechselwirkung zwischen der Farbe einer Oberfläche und dem darauf einfallenden Licht“, fügte er hinzu. „Die Effekte, die wir anhand der Oberflächeneigenschaften eines Planeten gefunden haben, können bei der Suche nach Leben helfen.“
Das Konzept eines Künstlers einer felsigen Welt, die einen roten Zwergstern umkreist. (Quelle: NASA/D. Aguilar/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics).
Madden, Kaltenegger und andere Exoplanetenforscher freuen sich auf die Verfügbarkeit von Teleskopen der nächsten Generation. Dazu gehören das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO und die Riesen-Magellan-Teleskop (GMT) in Chile und das Thirty-Meter Telescope (TMT) auf Manua Kea, Hawaii.
Weltraumgestützte Teleskope wie das Römisches Weltraumteleskop Nancy Grace (der voraussichtlich Mitte der 2020er Jahre auf den Markt kommen soll) wird auch für Exoplanetenjäger von großem Nutzen sein. Mit ihren fortschrittlichen Instrumenten und ihrer optischen Empfindlichkeit werden diese Teleskope in der Lage sein, die Atmosphären von Exoplaneten direkt zu beobachten und Spektren von ihnen zu erhalten.
Mit diesem aktualisierten Modell können Astronomen nicht nur die chemische Zusammensetzung der Atmosphären von Exoplaneten lernen (was es ihnen ermöglicht, potenzielle Biosignaturen zu identifizieren), sondern auch die Bewohnbarkeit dieser Planeten einschränken, indem sie einfach das von der Oberfläche reflektierte Licht beobachten.
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