Um als bewohnbar zu gelten, muss ein Planet flüssiges Wasser haben. Zellen, die kleinste Einheit des Lebens, benötigen Wasser, um ihre Funktionen zu erfüllen. Damit flüssiges Wasser existiert, muss die Temperatur des Planeten stimmen. Aber wie wäre es mit der Größe des Planeten?
Ohne ausreichende Masse hat ein Planet nicht genug Schwerkraft, um sein Wasser festzuhalten. Eine neue Studie versucht zu verstehen, wie sich die Größe auf die Fähigkeit eines Planeten auswirkt, an seinem Wasser festzuhalten, und infolgedessen auf seine Bewohnbarkeit.
Die Frage, was einen Planeten bewohnbar machen könnte, ist eine anhaltende Debatte. Nicht nur für Exoplaneten, sondern auch 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 der zirkumstellaren bewohnbaren Zone, einer Nähe, die weder zu nah noch zu weit von einem Stern entfernt ist, als dass flüssiges Wasser auf einem Planeten bestehen bleiben könnte.
Da die Suche nach Exoplaneten in bewohnbaren Zonen zunimmt und wir bessere Teleskope und Techniken erhalten, um Exoplaneten genauer zu untersuchen, benötigen Wissenschaftler mehr Einschränkungen hinsichtlich der Planeten, für die sie Ressourcen zur Beobachtung ausgeben müssen. Wie dieses Papier zeigt, könnte die Masse eines Planeten ein nützlicher Filter sein.
Das neue Papier trägt den Titel "Atmosphärische Evolution in Wasserwelten mit geringer Schwerkraft". Es wurde im Astrophysical Journal veröffentlicht. Der Hauptautor ist Constantin W. Arnscheidt, ein Student am MIT.
Um flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche und eine Atmosphäre zu erhalten, muss ein Exoplanet oder ein Exomoon genügend Masse haben, sonst werden Wasser und Atmosphäre einfach in den Weltraum abdriften. Und es muss lange genug an seinem Wasser festhalten, damit das Leben erscheint. Astronomen verwenden dafür eine Baseball-Zahl von einer Milliarde Jahren.
„Wenn Menschen an die inneren und äußeren Ränder der bewohnbaren Zone denken, denken sie meist nur räumlich darüber nach, was bedeutet, wie nahe der Planet am Stern ist“, sagte Constantin Arnscheidt, Erstautor der Zeitung. „Aber tatsächlich gibt es viele andere Variablen für die Bewohnbarkeit, einschließlich der Masse. Die Festlegung einer Untergrenze für die Bewohnbarkeit in Bezug auf die Planetengröße gibt uns eine wichtige Einschränkung bei unserer anhaltenden Suche nach bewohnbaren Exoplaneten und Exomoons. “
Die Größe und Reichweite der bewohnbaren Zone hängt vom Stern ab. Ein kleinerer, weniger energetischer Stern wie ein Roter Zwerg schafft eine bewohnbare Zone, die näher an sich selbst liegt als ein größerer Stern wie unsere Sonne. Das ist gut verstanden. Wenn ein Planet zu weit vom Stern entfernt ist, gefriert das Wasser. Zu nahe, und der außer Kontrolle geratene Treibhauseffekt tritt auf, und das Wasser wird zu Dampf und kann im Weltraum abkochen.
Aber für kleine Planeten mit geringerer Masse ist noch mehr los. Sie können möglicherweise 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 es umgibt. Das hat zwei Auswirkungen: Durch die vergrößerte Oberfläche kann die Atmosphäre mehr Energie aufnehmen als früher und mehr Energie ausstrahlen als früher.
Das Gesamtergebnis davon ist nach Ansicht der Forscher, dass die erweiterte Atmosphäre den außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt blockiert und sie ihr flüssiges Oberflächenwasser aufrechterhalten können. Dies bedeutet, dass sie näher an ihrem Stern sein können, ohne ihr Wasser zu verlieren, wodurch die Goldlöckchen-Zone für kleinere Exoplaneten erweitert wird.
Natürlich gibt es eine Grenze. Wenn ein Planet mit geringer Masse zu klein ist, hat er nicht genug Schwerkraft, und die Atmosphäre wird entfernt, und das Wasser wird entweder damit entfernt oder an der Oberfläche gefroren. Das heißt, die Lebensaussichten sind schlecht. Die Forscher sagen, dass es eine kritische Untergrenze für die Bewohnbarkeit eines Planeten gibt. Das bedeutet, dass es nicht nur ein Band in der Nähe des Sterns gibt, das 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 kritische Größe beträgt laut Arnscheidt und den anderen Autoren der Studie 2,7 Prozent der Masse der Erde. Sie sagen, dass es kleiner als das ist und der Planet einfach nicht in der Lage sein wird, seine Atmosphäre und sein Wasser lange genug festzuhalten, damit das Leben erscheint. Im Kontext macht der Mond 1,2 Prozent der Erdmasse und Merkur 5,53 Prozent aus.
Die Forscher verwenden als Beispiel kometenähnliche Planeten. Kometen haben viel Wasser, das sublimiert wird, wenn sie sich der Sonne nähern. Aber ihnen fehlt die erforderliche Masse, um diesen Dampf festzuhalten, und sie können niemals eine Atmosphäre bilden. Das Wasser geht in den Weltraum verloren. Ein Planet, der zu klein war, selbst wenn er viel Wasser hatte, würde sich niemals daran festhalten.
Die Forscher verwendeten Modelle, um die bewohnbare Zone des Planeten mit geringer Masse um zwei verschiedene Arten von Sternen herum abzuschätzen: einen Stern vom Typ M oder roten Zwerg und einen Stern vom Typ G wie unsere Sonne.
Sie haben möglicherweise auch eine andere langjährige Frage der Bewohnbarkeit in unserem eigenen Sonnensystem gelöst. Jupiters Monde Ganymed, Callisto und Europa haben alle reichlich flüssiges Wasser, das unter Eisschichten eingeschlossen ist. Astronomen haben sich gefragt, ob sie bewohnbar wären, wenn die Sonne irgendwann in ihrer herausragenden Zukunft mehr Energie ausstrahlt. Den Arbeiten der Autoren zufolge fehlt ihnen jedoch die Masse, um sich an diesem Wasser festzuhalten, selbst wenn sie warm genug geworden sind. Ganymed kommt mit 2,5% Erdmasse nahe, ist aber klein genug, um „kometenartig“ zu sein und sein gesamtes Wasser an den Weltraum zu verlieren.
"Wasserwelten mit geringer Masse sind eine faszinierende Möglichkeit bei der Suche nach Leben, und dieses Papier zeigt, wie unterschiedlich ihr Verhalten wahrscheinlich von dem von erdähnlichen Planeten ist", sagte Robin Wordsworth, Associate Professor für Umweltwissenschaften und -technik bei SEAS und leitender Autor der Studie. "Sobald Beobachtungen für diese Klasse von Objekten möglich sind, wird es spannend sein, diese Vorhersagen direkt zu testen."
Die Forscher machten einige notwendige Annahmen in ihrer Arbeit. Sie nahmen an, dass die Atmosphäre ihrer massearmen Welten reiner Wasserdampf war. Sie nahmen auch an, dass das Wasser auf 40% der Masse des Planeten festgelegt war. Sie ignorierten auch bestimmte andere Faktoren wie den CO2-Kreislauf, die Wolkendecke und die Chemie der Ozeane. Es gibt einfach zu viele Variablen, um sie in dieser Phase ihrer Arbeit zu modellieren.
Die Autoren sprechen auch die Idee von bewohnbaren Exomoons anstelle von Exoplaneten an. Es ist denkbar, dass in anderen Sonnensystemen Monde eher bewohnbar sind als Planeten. In diesem Fall spielen andere Faktoren wie Gezeitenkräfte eine Rolle. Dies könnte insbesondere bei M-Sternen oder roten Zwergen der Fall sein. Dies liegt daran, dass die zirkumstellare bewohnbare Zone um diese energiearmen Sterne bereits viel näher am Stern liegt als um einen Stern vom Typ G wie unsere Sonne. Die kombinierten Gravitationskräfte des Exomoons, seines Planeten und des Sterns könnten die Bewohnbarkeit insgesamt beseitigen.
Sie erkennen auch einige der vielen anderen Faktoren an, die die Bewohnbarkeit beeinflussen. Zum Beispiel, obwohl Monde wie Ganymed zu klein sind, um in ihrem Modell bewohnbar zu sein, kann es durchaus sein, dass sie in ihren unterirdischen Ozeanen leben, wo das Wasser durch eine dicke Eisschicht daran gehindert wird, zu entweichen.
Es gibt noch viel zu tun, um die Bewohnbarkeit zu bestimmen. Wie die Autoren in ihrer Arbeit sagen: "Weitere Arbeiten könnten kompliziertere Modelle der hydrodynamischen Flucht berücksichtigen." Exoplaneten sind vielfältiger und komplexer als wir derzeit wissen, aber diese Studie beginnt, einige davon anzusprechen.
Mehr:
- Pressemitteilung: Eine Goldlöckchen-Zone für Planetengröße
- Forschungsbericht: Atmosphärische Evolution auf schwerkraftarmen Wasserwelten
- Space Magazine: Welche bewohnbaren Zonen sind die besten, um tatsächlich nach Leben zu suchen?
