Flüssiges Wasser könnte auf fernen Supererden existieren

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Irgendwo im Universum kann es felsige Welten geben, die vielleicht doppelt so weit von ihren Wirtssternen entfernt sind wie die Erde von der Sonne. So weit entfernt von der Wärme ihrer Sterne sollten diese Planeten ziemlich kalt sein – und jegliches Wasser auf ihrer Oberfläche sollte gefroren sein.

Aber Planetenwissenschaftler sagen, dass es eine Klasse von felsigen Exoplaneten geben könnte, die mit dicken Decken aus Wasserstoff- und Heliumgasen bedeckt sind. Wenn diese Schichten die Kerne der Planeten von der rauen Kälte des Weltraums isolieren, könnten ihre Oberflächen genau die richtige Temperatur haben, um flüssiges Wasser zu beherbergen. Und wenn das der Fall ist, ist es möglich, dass diese Welten bewohnbar sind.

Um vor einem Jahrzehnt, schlugen Wissenschaftler vor, dass solche Welten in der Lage sein könnten, Leben zu unterstützen. Sie bezeichnen diese Planeten manchmal als „kalte Supererden“, weil sie wahrscheinlich bis zu 10 Mal massiver sind als unsere Heimat. Aber die Forscher hatten noch nicht herausgefunden, ob Wasser lange genug auf diesen Exoplaneten bleiben kann, damit sich Leben entwickeln kann.

Jetzt werden neue Berechnungen in beschrieben ein Papier veröffentlicht am Montag in der Zeitschrift Naturastronomie deuten darauf hin, dass die Oberflächenbedingungen dieser Welten für mehr als genug Zeit für Leben gemäßigt gewesen sein könnten – für 5 Milliarden bis 8 Milliarden Jahre. Die Erde ist im Vergleich dazu nur etwa 4,5 Milliarden Jahre alt, und das Leben entstand hier vor etwa 3,7 Milliarden Jahren.

„Das Leben braucht Zeit, um sich zu entwickeln. Es spielt also eine Rolle, dass es schon lange her ist“, sagt er Björn Benneke, Professor für Astrophysik am Institute for Research on Exoplanets an der Universität von Montreal, der nicht an der neuen Studie beteiligt war. Wenn Supererden nur für relativ kurze Zeiträume ihrer Existenz – zum Beispiel eine Million Jahre oder so – flüssiges Wasser hätten, wäre es „entmutigend“ für die Hypothese, dass diese Planeten unter Wasserstoffatmosphären bewohnbar sein könnten, sagt er.

Die neuen Berechnungen verheißen Gutes für die potenzielle Bewohnbarkeit dieser kalten Supererden. Ihre Existenz ist immer noch theoretisch – es wurden noch keine gefunden –, was einen Anreiz für Astrophysiker darstellt, nach dieser Exoplanetenklasse zu suchen, um festzustellen, ob wir allein im Universum sind.

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„Es ist wichtig, wirklich aufgeschlossen zu sein und nicht zu erwarten, dass das Leben unter Bedingungen stattfinden muss, die nur eine Kopie der Erde sind“, sagt er Marit Mollous, Hauptautor des neuen Artikels und Doktorand, der Exoplaneten an der Universität Zürich in der Schweiz studiert. „Das gibt uns ein zusätzliches Argument, diese exotischen Lebensräume im Auge zu behalten.“

Basierend auf unserem einzigen Modell einer bekannten bewohnbaren Welt, der Erde, suchen Wissenschaftler oft nach einem Planeten, der seinen Stern ebenfalls in einer Region umkreist, in der die Planetenoberfläche weder zu heiß noch zu kalt für flüssiges Wasser ist. Diese Region wird oft als bewohnbare Zone oder als „Goldilocks-Zone“ bezeichnet. Sogenannte kalte Supererden liegen dagegen außerhalb der habitablen Zone ihrer Sterne. Aber das könnte entgegen der Intuition auch Teil dessen sein, was diese fremden Welten bewohnbar macht.

Auf der Erde tragen atmosphärische Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan dazu bei, die „genau richtige“ Wassertemperatur aufrechtzuerhalten. Wasserstoff kann auch als Treibhausgas wirken, wenn genug davon vorhanden ist.

Der Trick besteht darin, das Wasserstoffgas lange genug in der Nähe zu halten, damit es sich aufbauen kann. Es ist ein besonders leichtes Element. Wenn ein Planet also nicht massiv genug ist und genug Schwerkraft hat, um das Gas festzuhalten, wird Wasserstoff in den Weltraum verschwinden. Und wenn sich der Planet in der Nähe seines Sterns befindet, kann die Strahlung diese Partikel schneller entweichen lassen. Die große Entfernung zwischen diesen kalten Supererden und ihren Sternen könnte ihr Wasserstoffgas davor schützen, weggerissen zu werden.

Um herauszufinden, was es braucht, damit eine kalte Supererde über einen längeren Zeitraum genau die richtige Dicke einer Wasserstoff-Helium-Atmosphäre aufrechterhält, entwickelte Mol Lous Computermodelle von felsigen Exoplaneten unterschiedlicher Größe. Sie platzierte sie in mehreren Entfernungen von ihren simulierten Wirtssternen. Dann führte sie eine Simulation durch, wie sie sich im Laufe der Zeit entwickeln könnten.

Mol Lous berücksichtigte Faktoren, die die Oberflächentemperatur eines Planeten beeinflussen würden, wie die Fluchtgeschwindigkeit, wie sein Wirtsstern im Laufe der Zeit heller oder dunkler werden könnte, und die Wärme, die von radioaktivem Material in seinem Inneren ausgeht.

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Sie fand heraus, dass der Sweet Spot für langfristiges flüssiges Wasser darin bestand, dass die von Wasserstoff-Helium dominierte Atmosphäre zwischen 100 und 1.000 Mal so dick wie die Erdatmosphäre war, die Masse des Planeten ein- bis zehnmal so groß war wie die der Erde und er mindestens saß zweimal so weit von seinem Stern entfernt wie die Erde von der Sonne.

Diese Entfernung macht es zwar faszinierend, diese kalten Supererden zu untersuchen, macht sie aber für Astronomen auch extrem schwer zu erkennen. Die Technik, die Wissenschaftler normalerweise verwenden, um einen Exoplaneten zu entdecken, beruht darauf, dass die Welt vor seinem Stern vorbeizieht. Ein solcher Transit lässt das Licht des Wirtssterns leicht schwächer werden, was Astrophysiker verwenden, um das Vorhandensein einer umlaufenden Welt zu berechnen. Aber, sagt Benneke, wenn ein Planet in der Größe einer Supererde so weit draußen umkreist, ist es viel unwahrscheinlicher, dass er im richtigen Moment ausgerichtet ist, um mit der aktuellen Technologie entdeckt zu werden.

Daher ist es noch unbekannt, ob solche Supererden existieren, sagt er. „Aber … was Experten gezeigt haben, ist, dass diese Art von Planetenvielfalt, die gesamte Palette von Planeten, die existieren können, tatsächlich extrem groß ist.“ Und wenn es sie gibt, bleiben viele Fragen darüber, wie eine so kühle, nasse Welt entstehen könnte. Mol Lous und ihre Kollegen arbeiten bereits an neuen Modellen, um die Entstehung kalter Supererden zu erforschen.

Aber die beste Lösung für diese Rätsel, sagt Benneke, „wäre, einfach diese Exoplaneten zu finden.“