Erdlinge haben Glück. Unser Planet hat einen robusten magnetischen Schild. Ohne unsere Magnetosphäre hätte die Strahlung der Sonne wahrscheinlich das Leben auf der Erde beendet, bevor es überhaupt in Gang gekommen ist. Und unsere Sonne ist in stellarer Hinsicht eher zahm.
Wie ist es für Exoplaneten, die aktivere Sterne umkreisen?
Viele Menschen denken wahrscheinlich selten an die schützende Magnetosphäre der Erde. Vielleicht haben sie das Glück, einen Blick auf die Polarlichter zu erhaschen und zu bemerken, wie schön sie sind. Aber der Aurora-Augenschmaus ist genau das: Augenschmaus. Das wahre Geschenk der Magnetosphäre kann das Leben selbst sein.
Die Aurora Borealis, aufgenommen von der Internationalen Raumstation ISS am 28. Juni 2014, aufgenommen vom Astronauten Reid Wiseman. Bildnachweis: Reid Wiseman/NASA.
In der stellaren Terminologie ist unsere Sonne ein G-Typ Hauptreihenstern. Sterne vom Typ G sind relativ ruhig und stabil, obwohl sie natürlich schwanken und aufflackern wie ihre aktiveren Cousins, die M-Typ Sterne. Unabhängig davon, ob es sich bei einem Stern um einen M- oder G-Typ handelt, kann die Flackeraktivität eine ernsthafte Gefahr für einen Exoplaneten und seine Chancen auf die Entwicklung von Leben darstellen.
Ein Stern vom Typ M ist auch als Roter Zwerg bekannt und kann viel mehr aufflackern als unsere Sonne. Eine neue Studie weist darauf hin, dass die Strahlung und das Flackern von jedem Stern, egal ob G- oder M-Typ, die Bewohnbarkeit von Exoplaneten ernsthaft einschränkt.
„Dies würde das Leben auf solchen Planeten nach terrestrischen Standards anfällig für häufige Strahlungsexplosionen auf dem Niveau des Aussterbens machen, wobei nur hochgradig strahlungsresistente Extremophile überleben würden.“
Dmitri Atri, Autor, NYU, Abu Dhabi
Das Papier trägt den Titel „ Durch stellare Protonenereignisse induzierte Oberflächenstrahlungsdosis als Einschränkung der Bewohnbarkeit terrestrischer Exoplaneten .“ Es wird in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters veröffentlicht. Alleiniger Autor ist Dmitri Atri von der New York University in Abu Dhabi, Vereinigte Arabische Emirate.
Von den etwa 4.000 Exoplaneten, die wir bisher entdeckt haben, befindet sich nur ein kleiner Teil in den bewohnbaren Zonen ihrer Sterne. Das bedeutet, dass die Temperatur im richtigen Bereich liegt, damit flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche existieren kann, wenn man eine vernünftige Annahme über den Atmosphärendruck des Planeten voraussetzt. Ein guter Teil davon – etwa 17 – befindet sich in der konservativen bewohnbaren Zone ihrer Sterne. Weitere 30 oder so sind die sogenannte optimistische bewohnbare Zone, ein breiteres Gebiet als die konservative Zone.
Basierend auf Kepler-Daten könnte es bis zu 40 Milliarden Erdgroße Planeten, die in den bewohnbaren Zonen von Roten Zwergen und sonnenähnlichen Sternen kreisen.
Künstlerische Illustration der bewohnbaren Zone um verschiedene Sternentypen. Bildnachweis: NASA
Aber ohne eine robuste Magnetosphäre, die sie vor ihren Sternen schützt, wie viele von ihnen können wirklich als in der bewohnbaren Zone betrachtet werden?
In einer Pressemitteilung sagte Atri: „Während wir die Planeten des Sonnensystems und darüber hinaus erforschen, ist es weiterhin von immenser Bedeutung, herauszufinden, ob diese Planeten die Fähigkeit haben, Leben zu unterstützen. Weitere Fortschritte in diesem Bereich werden unser Verständnis der Beziehung zwischen extremen Sonnenereignissen, Strahlungsdosis und Bewohnbarkeit der Planeten verbessern.“
Atris Aufsatz untersucht die gesamte Strahlung, die Sterne auf ihre Planeten richten. Stellare Flares, koronale Massenauswürfe (CMEs) und Stellar Proton Events (SPEs) können Planeten abrupt mit nichtthermischer Strahlung bombardieren, die aus Röntgenstrahlen, EUV (XUV) und stellaren energetischen Teilchen (SEPs) besteht. Diese können alle die Atmosphäre eines Planeten erodieren, photochemische Veränderungen auslösen und einen Planeten in Strahlung baden.
Dies ist das Konzept eines Künstlers für einen Roten Zwergstern, der eine starke Eruption durchmacht, die als Sterneruption bezeichnet wird. Im Vordergrund steht ein hypothetischer Planet. Bildnachweis: NASA/ESA/G. Speck (STScI)
Der magnetische Schild eines Planeten kann ihn vor diesen Flares schützen, und auch die Atmosphäre kann eine schützende Rolle spielen. In Atris Studie betrachtete er Teilchenspektren von 70 großen Flare-emittierenden Ereignissen (beobachtet zwischen 1956 und 2012). Er maß sowohl das Spektrum der Flares als auch ihre Stärke und verglich es mit der schützenden Natur des magnetischen Schildes und der Atmosphäre.
Wir wissen sehr viel darüber, wie Sonnenwind und Flares mit der Magnetosphäre der Erde interagieren. Dadurch konnte Atri abschätzen, wie Exoplaneten auf Flares reagieren. Atri konzentrierte sich auf die direkte Wirkung der Strahlung von Flares auf das Leben und nicht auf indirekte Effekte wie das Strippen der Atmosphäre.
Wenn ein Stern aufflammt, dosiert er den Planeten mit Strahlung. Laut Atris Studie hängt die Wirkung der Strahlung auf den Planeten nicht nur direkt mit der Stärke seines Magnetfelds, sondern auch mit der Säulentiefe seiner Atmosphäre zusammen. Die abrupten Ausbrüche ionisierender Strahlung, die einen Planeten von einer Fackel treffen, können nicht nur Organismen schädigen oder töten, sondern auch ihren Lebensraum ohne ausreichenden magnetischen und atmosphärischen Schutz verändern.
Künstlerische Darstellung der Venus mit dem Sonnenwind, der um den Planeten strömt, der wenig magnetischen Schutz hat. Venus Express fand heraus, dass im Laufe der Jahre viel Wasser vom Planeten in den Weltraum geflossen ist, was passiert, wenn die ultraviolette Strahlung der Sonne Sauerstoff- und Wasserstoffmoleküle aufspaltet und sie in den Weltraum schiebt. Bildnachweis: ESA – C. Carreau
Das sind nicht gerade Schlagzeilen. Wir wissen, dass Strahlung von Sternen gefährlich ist. Aber Atri ging noch weiter: Er versuchte zu quantifizieren, wie Flares gleicher Stärke die Bewohnbarkeit abhängig von den Spektren dieser Flares beeinflussen können. Seine Ergebnisse zeigen eine Variabilität von fünf Größenordnungen für Flares mit gleicher Energie, aber unterschiedlichen Spektren.
Die atmosphärische Säulentiefe hatte einen ähnlichen Effekt. „In Bezug auf die Abschirmung haben wir festgestellt, dass die atmosphärische Tiefe (Säulendichte) ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Strahlendosis auf der Planetenoberfläche ist. Die Strahlendosis wird um 3 Größenordnungen reduziert, was einer Zunahme der atmosphärischen Tiefe um eine Größenordnung entspricht.“
Die Erdatmosphäre spielt eine Rolle, wenn es darum geht, uns vor der Aktivität der Sonne zu schützen. Eine neue Studie besagt, dass die säulenförmige Tiefe der Atmosphäre eines Exoplaneten ein Faktor beim Schutz eines Planeten vor Strahlung ist. Bildquelle: NASA
Überraschenderweise hatte die Stärke der Magnetosphäre weniger Schutz gegen Strahlung. „Wir fanden heraus, dass das planetarische Magnetfeld ein wichtiger, aber weniger bedeutender Faktor im Vergleich zur atmosphärischen Tiefe ist. Die Dosis wird um einen Faktor von etwa 30 reduziert, was einer Erhöhung der Magnetosphärenstärke um eine Größenordnung entspricht.“
Aber das Magnetfeld eines Planeten spielt eine zusätzliche Rolle. „Es sollte jedoch beachtet werden, dass das planetarische Magnetfeld entscheidend ist, um eine substanzielle Atmosphäre auf einem Planeten aufrechtzuerhalten“, heißt es in der Studie.
Wir haben viel über die Flare-Raten in Sternen gelernt, was ein Teil des Verständnisses der Bewohnbarkeit auf Exoplaneten ist. Die Sonne strahlt starke Fackeln von bis zu 10 . aus35Ergs alle 2000 bis 3000 Jahre, während andere jüngere und schneller rotierende M-Sterne sie bis zu 100-mal häufiger aussenden können. Andere Sterne werden als „Flare-Sterne“ bezeichnet, weil sie sogenannte Super-Flares erzeugen, die stärker sind, als unsere Sonne jemals produziert. Angesichts der Tatsache, dass es sich bei vielen von ihnen um Rote Zwerge handelt, die Sternart, auf der die meisten Exoplaneten vorkommen, ist die Prognose für die Bewohnbarkeit fraglich.
Aber wie Atris Arbeit zeigt, ist es nicht nur die Stärke der Fackel, sondern auch ihr Spektrum, das die Bewohnbarkeit einschränkt.
Abschließend sagt er: „Obwohl jüngste Beobachtungen uns gute Messungen der Flares naher Sterne geliefert haben, ist die Hauptunsicherheit der Quelle in dieser Arbeit die fehlende Messung von Teilchen, die von hochenergetischen Flares (10 .) ausgestoßen werden32–1036?erg) auf anderen Sternen. Weitere Fortschritte in diesem Bereich werden unser Verständnis der Beziehung zwischen extremen Sonnenereignissen, Strahlungsdosis und Bewohnbarkeit der Planeten verbessern.“
Dies ist ein künstlerisches Konzept des globalen Magnetfelds der Erde mit dem Bugschock. Die Erde befindet sich in der Mitte des Bildes, umgeben von ihrem Magnetfeld, dargestellt durch violette Linien. Der Bugstoß ist der blaue Halbmond rechts. Viele energetische Teilchen im Sonnenwind, dargestellt in Gold, werden vom magnetischen „Schild“ der Erde abgelenkt. Bildnachweis: Walt Feimer (HTSI)/NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
Es kann sein, dass viele der Planeten, die wir als bewohnbar einstufen, ohne Schutz vor magnetischen oder atmosphärischen Flares einfach nicht existieren können. Oder es kann sein, dass die Bewohnbarkeit auf Extremophile beschränkt ist. Wie Atri in seinem Artikel sagt: „Dies würde das Leben auf solchen Planeten nach terrestrischen Maßstäben für häufige Strahlungsexplosionen auf dem Niveau des Aussterbens anfällig machen, wobei nur hochgradig strahlungsresistente Extremophile überleben würden. Solche Werte werden für nahe Planeten erwartet.“
Dieser letzte Satz könnte besonders vernichtend sein.
Da es in der Milchstraße so viele Rote Zwerge gibt, finden wir dort die meisten Exoplaneten. Und da diese Sterne im Durchschnitt weniger Energie abgeben, ist ihre bewohnbare Zone viel näher als um einen Stern wie unsere Sonne. Das bedeutet, dass viele der Planeten, die wir als potenziell bewohnbar betrachten, ohne genügend Magnetosphäre und ohne eine ausreichend tiefe Atmosphäre einfach nicht sind.
Mehr:
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