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Auf der Suche nach einer Schwester der Erde

Auf der European Week of Astronomy and Space Science (EWASS) in Liverpool haben Wissenschaftler Forschungen zur Physik und Chemie der Atmosphären extrasolarer Planeten vorgestellt.

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Auf der Suche nach einer Schwester der Erde

Künstlerische Darstellung eines Planeten, der einen roten Zwerg umkreist.

(Bild: NASA/ESA/G. Bacon (STScI) )

Die Beobachtung von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems gehört zu den aufregendsten Teilgebieten der Astronomie. Nachdem im Jahr 1995 der erste dieser Exoplaneten im Orbit um einen Hauptreihenstern entdeckt wurde, konnte man bei den folgenden Entdeckungen noch einige Jahre lang mitzählen. Mittlerweile umfasst die Exoplaneten-Datenbank über 6000 Einträge, von denen 3757 als bestätigt gelten – durch Publikation in einer wissenschaftlichen Zeitschrift oder Konferenz. Längst geht es auch nicht mehr allein darum, Umlaufzeit, mittleren Abstand und Masse der Planeten zu bestimmen. Auf der European Week of Astronomy and Space Science (EWASS) in Liverpool haben Wissenschaftler jetzt Forschungen zur Physik und Chemie der Atmosphären extrasolarer Planeten vorgestellt.

Bislang liegen nur wenige Beobachtungsdaten vor. Lediglich auf einigen Planeten der Größenklasse von Jupiter und Neptun konnten Atmosphären nachgewiesen und spektroskopisch untersucht werden. Gleichwohl ermöglichen es die bisherigen Erkenntnisse, Modelle zu entwickeln, um zukünftige Beobachtungskampagnen mit neuen Instrumenten zu planen. So berichtete Sarah Blumenthal (University of Exeter) von der Entwicklung eines Modells zur Simulation von Wolken und Dunst in einer mit Kohlenwasserstoffen angereicherten Atmosphäre, gestützt auf Daten der Exoplaneten HD 189733 b und HD 209458 b sowie vom Saturnmond Titan. Als sie erwähnte, dass diese Forschungen zur Vorbereitung von Beobachtungen mit dem James Webb Space Telescope dienen, erntete sie einige Lacher: Erst vor wenigen Tagen hatte die Nasa den ursprünglich für 2018 geplanten Start weiter auf frühestens Mai 2020 verschoben.

Wann auch immer die Teleskope der nächsten Generation die Atmosphären extrasolarer Planeten ins Visier nehmen, wird 55 Cancri e (Janssen) zu den begehrten Kandidaten zählen. Der 40 Lichtjahre entfernte Planet ist mit ungefähr achtfacher Erdmasse der bislang erdähnlichste, bei dem Anzeichen einer Atmosphäre, bestehend aus Wasserstoff, Helium und Spuren von Blausäure, gefunden wurden. Da die hochreaktive Blausäure nicht im chemischen Gleichgewicht mit den übrigen Substanzen ist, könnte sie durch Blitze erzeugt worden sein, vermutet Graham Lee von der University of Oxford. Er hat numerische Experimente mit verschiedenen Atmosphären aus Wasserstoff, Stickstoff und einer Mischung aus beiden durchgeführt, um zu prüfen, ob sich auf dem durch extreme Temperaturunterschiede geprägten Planeten Wolken bilden könnten. Bei Temperaturen über 2500 Kelvin auf der Tagseite könnte Magma schmelzen und Staubteilchen in die Atmosphäre befördern, die wiederum die für Wolkenbildung notwendigen Keime bilden würden, lautet sein vorläufiges Resümee.

Wolken könnten generell als guter Sonnenschutz dienen und die habitable Zone – also den Bereich in der Umgebung eines Sterns, in dem Leben existieren kann – zum Stern hin ausdehnen, sagte Ludmilla Carone (Max-Planck-Institut für Astronomie). Sie konzentrierte sich in ihren Ausführungen auf das Planetensystem Trappist-1 sowie den erdnächsten Exoplaneten Proxima Centauri b. Diese Planeten umkreisen ihre Sterne auf so engen Umlaufbahnen, dass eine gebundene Rotation möglich ist, bei der dem Stern immer die gleiche Seite zugewandt ist. Das ist zunächst einmal keine günstige Voraussetzung für Leben. Atmosphärische Zirkulation könne gleichwohl die Hitze auch auf solchen Planeten verteilen, erklärte Carone. Das hänge jedoch von der Beschaffung der Oberfläche, etwa dem Vorhandensein von Wasser ab. Auch die Umlaufzeit spiele eine Rolle: Liege sie unter zehn Tagen, würden die durch die Rotation erzeugten Rossby-Wellen die Bildung von Wolken verhindern. Bei einer Orbitalperiode von 10 bis 20 Tagen, wie bei den Planeten Trappist-1g und f sowie Proxima b, seien die Bedingungen günstiger.

Allerdings sind Trappist-1 und Proxima Centauri Rote Zwergsterne. Das heißt, sie haben eine geringe Masse, sind aber hochaktiv und sehr langlebig. Die von ihnen ausgesandte Röntgen- und UV-Strahlung könnte Planeten auf engen Umlaufbahnen ihrer Atmosphäre berauben. Katja Poppenhäger (Queens University Belfast) hat hierzu Simulationsrechnungen durchgeführt mit dem Ergebnis, dass ein Planet in der habitablen Zone um Trappist-1 eine Wasserstoff-Helium-Atmosphäre nach etwa fünf Milliarden Jahren komplett verloren hätte. Das muss die Entstehung von Leben indessen nicht unbedingt verhindern, sondern könnte im Gegenteil die Entfaltung einer sekundären, lebensfreundlicheren Atmosphäre begünstigen. Hier sind noch weitere Simulationen erforderlich – und natürlich Beobachtungen.

Ein weiteres Risiko für Planeten in der habitablen Zone von Roten Zwergen sind Eruptionen auf diesen Sternen. Wenn sie wie bei der Sonne von koronalen Massenauswürfen begleitet sind, bei denen Plasma ins All geschleudert wird, könnte das ebenfalls die Atmosphären solcher Planeten schädigen oder komplett zerstören. Eine im Februar 2018 auf dem 16 Lichtjahre entfernten Roten Zwerg AD Leonis beobachtete Eruption sei jedoch nicht von einem koronalen Massenauswurf begleitet gewesen, berichtete Eike Günther von der Thüringer Landessternwarte in Tautenburg. Offenbar seien solche Ereignisse bei kleinen Sternen seltener. Gleichwohl bleibe die Belastung durch die Röntgenstrahlung. Leben sei auf Planeten im Orbit solcher Sterne daher wohl allenfalls im Wasser denkbar. (Hans-Arthur Marsiske) / (anw)

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