Bei der Suche nach Welten, die das außerirdische Leben unterstützen könnten, verlassen sich Wissenschaftler derzeit auf den Ansatz der „niedrig hängenden Früchte“. Da wir nur eine Reihe von Bedingungen kennen, unter denen das Leben gedeihen kann - d. H. Was wir hier auf der Erde haben - ist es sinnvoll, nach Welten zu suchen, die dieselben Bedingungen haben. Dazu gehört, dass man sich in der bewohnbaren Zone eines Sterns befindet, eine stabile Atmosphäre hat und in der Lage ist, flüssiges Wasser an der Oberfläche zu halten.
Bisher haben sich Wissenschaftler auf Methoden verlassen, die es sehr schwierig machen, Wasserdampf in der Atmosphäre terrestrischer Planeten zu erkennen. Dank einer neuen Studie von Yuka Fujii vom Goddard Institute for Space Studies (GISS) der NASA könnte sich dies jedoch bald ändern. Unter Verwendung eines neuen dreidimensionalen Modells, das globale Zirkulationsmuster berücksichtigt, zeigt diese Studie auch, dass bewohnbare Exoplaneten häufiger vorkommen als gedacht.
Die Studie mit dem Titel „NIR-getriebene feuchte obere Atmosphären synchron rotierender gemäßigter terrestrischer Exoplaneten“ erschien kürzlich in Das astrophysikalische Journal. Neben Dr. Fujii, der auch Mitglied des Earth-Life Science Institute am Tokyo Institute of Technology ist, gehörten Anthony D. Del Genio (GISS) und David S. Amundsen (GISS und Columbia University) zum Forschungsteam.
Einfach ausgedrückt ist flüssiges Wasser lebenswichtig, wie wir es kennen. Wenn ein Planet nicht warm genug ist, um flüssiges Wasser für eine ausreichende Zeitspanne (in der Größenordnung von Milliarden von Jahren) auf seiner Oberfläche zu halten, ist es unwahrscheinlich, dass Leben entstehen und sich entwickeln kann. Wenn ein Planet zu weit von seinem Stern entfernt ist, gefriert sein Oberflächenwasser. Wenn es zu nahe ist, verdunstet sein Oberflächenwasser und geht in den Weltraum verloren.
Während zuvor in der Atmosphäre von Exoplaneten Wasser entdeckt wurde, waren die Planeten in allen Fällen massive Gasriesen, die sehr nahe an ihren Sternen kreisten. (aka. "Hot Jupiters"). Wie Fujii und ihre Kollegen in ihrer Studie feststellen:
„Obwohl H2O-Signaturen in der Atmosphäre heißer Jupiter nachgewiesen wurden, ist die Erkennung molekularer Signaturen, einschließlich H2O, auf gemäßigten terrestrischen Planeten aufgrund des kleinen Planetenradius und der geringen Skalenhöhe (aufgrund der niedrigeren Temperatur und des vermutlich größeren Mittelwerts) äußerst schwierig Molekulargewicht)."
Bei terrestrischen (d. H. Felsigen) Exoplaneten waren frühere Studien gezwungen, sich auf eindimensionale Modelle zu stützen, um das Vorhandensein von Wasser zu berechnen. Dies bestand aus der Messung des Wasserstoffverlusts, bei dem Wasserdampf in der Stratosphäre durch Einwirkung von ultravioletter Strahlung in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Durch Messung der Geschwindigkeit, mit der Wasserstoff in den Weltraum verloren geht, würden Wissenschaftler die Menge an flüssigem Wasser abschätzen, die sich noch auf der Oberfläche befindet.
Wie Dr. Fujii und ihre Kollegen erklären, beruhen solche Modelle jedoch auf mehreren Annahmen, die nicht berücksichtigt werden können, darunter der globale Transport von Wärme und Wasserdampf sowie die Auswirkungen von Wolken. Grundsätzlich haben frühere Modelle vorausgesagt, dass die langfristigen Oberflächentemperaturen dieser Exoplaneten, damit Wasserdampf die Stratosphäre erreichen kann, mehr als 66 ° C höher sein müssen als hier auf der Erde.
Diese Temperaturen können zu starken konvektiven Stürmen an der Oberfläche führen. Diese Stürme könnten jedoch nicht der Grund sein, warum Wasser die Stratosphäre erreicht, wenn langsam rotierende Planeten in einen feuchten Gewächshauszustand eintreten - wo Wasserdampf die Wärme verstärkt. Planeten, die nahe an ihren Elternsternen kreisen, haben bekanntermaßen entweder eine langsame Rotation oder sind mit ihren Planeten gezeitengesperrt, was konvektive Stürme unwahrscheinlich macht.
Dies tritt ziemlich häufig bei terrestrischen Planeten auf, die sich um massearme, ultrakühle Sterne vom Typ M (Roter Zwerg) befinden. Für diese Planeten bedeutet ihre Nähe zu ihrem Wirtsstern, dass der Gravitationseinfluss stark genug ist, um ihre Rotation zu verlangsamen oder vollständig anzuhalten. Wenn dies geschieht, bilden sich am Tag des Planeten dicke Wolken, die ihn vor einem Großteil des Lichts des Sterns schützen.
Das Team stellte fest, dass dies zwar den Tag kühl halten und das Aufsteigen von Wasserdampf verhindern könnte, die Menge an Nahinfrarotstrahlung (NIR) jedoch genügend Wärme liefern könnte, um einen Planeten in einen feuchten Gewächshauszustand zu versetzen. Dies gilt insbesondere für M-Typ- und andere coole Zwergsterne, von denen bekannt ist, dass sie mehr NIR produzieren. Während diese Strahlung die Wolken erwärmt, steigt Wasserdampf in die Stratosphäre auf.
Um dies zu erreichen, stützten sich Fujii und ihr Team auf dreidimensionale allgemeine Zirkulationsmodelle (GCMs), die atmosphärische Zirkulation und Klimaheterogenität berücksichtigen. Für ihr Modell begann das Team mit einem Planeten, der eine erdähnliche Atmosphäre hatte und vollständig von Ozeanen bedeckt war. Dadurch konnte das Team klar erkennen, wie sich Abweichungen in der Entfernung von verschiedenen Arten von Sternen auf die Bedingungen auf den Planetenoberflächen auswirken würden.
Diese Annahmen ermöglichten es dem Team, klar zu erkennen, wie sich die Änderung des Orbitalabstands und der Art der Sternstrahlung auf die Menge an Wasserdampf in der Stratosphäre auswirkte. Wie Dr. Fujii in einer Pressemitteilung der NASA erklärte:
„Mit einem Modell, das die atmosphärischen Bedingungen realistischer simuliert, haben wir einen neuen Prozess entdeckt, der die Bewohnbarkeit von Exoplaneten kontrolliert und uns bei der Identifizierung von Kandidaten für weitere Untersuchungen unterstützt. Wir haben eine wichtige Rolle für die Art der Strahlung, die ein Stern aussendet, und deren Wirkung gefunden hat auf die atmosphärische Zirkulation eines Exoplaneten bei der Herstellung des feuchten Gewächshauszustands. “
Am Ende zeigte das neue Modell des Teams, dass, da Sterne mit geringer Masse den größten Teil ihres Lichts bei NIR-Wellenlängen emittieren, ein feuchter Gewächshauszustand für Planeten resultiert, die nahe an ihnen umkreisen. Dies würde zu Bedingungen auf ihren Oberflächen führen, die mit denen der Erde in den Tropen vergleichbar sind, wo die Bedingungen heiß und feucht sind, anstatt heiß und trocken.
Darüber hinaus wies ihr Modell darauf hin, dass NIR-gesteuerte Prozesse die Feuchtigkeit in der Stratosphäre allmählich erhöhten, so dass Exoplaneten, die näher an ihren Sternen kreisen, bewohnbar bleiben könnten. Dieser neue Ansatz zur Bewertung der potenziellen Bewohnbarkeit ermöglicht es Astronomen, die Zirkulation von Planetenatmosphären und die Besonderheiten dieser Zirkulation zu simulieren, was eindimensionale Modelle nicht können.
In Zukunft plant das Team zu bewerten, wie sich Schwankungen der Planeteneigenschaften wie Schwerkraft, Größe, atmosphärische Zusammensetzung und Oberflächendruck auf die Wasserdampfzirkulation und die Bewohnbarkeit auswirken können. Zusammen mit ihrem dreidimensionalen Modell, das planetare Zirkulationsmuster berücksichtigt, können Astronomen so die potenzielle Bewohnbarkeit entfernter Planeten genauer bestimmen. Wie Anthony Del Genio anzeigte:
„Solange wir die Temperatur des Sterns kennen, können wir abschätzen, ob Planeten in der Nähe ihrer Sterne das Potenzial haben, sich im feuchten Gewächshauszustand zu befinden. Die derzeitige Technologie wird an ihre Grenzen gehen, um kleine Mengen Wasserdampf in der Atmosphäre eines Exoplaneten zu erfassen. Wenn genügend Wasser vorhanden ist, um erkannt zu werden, bedeutet dies wahrscheinlich, dass sich der Planet im feuchten Gewächshauszustand befindet. “
Diese Studie bietet Astronomen nicht nur eine umfassendere Methode zur Bestimmung der Bewohnbarkeit von Exoplaneten, sondern ist auch eine gute Nachricht für Exoplanetenjäger, die darauf hoffen, bewohnbare Planeten um Sterne vom Typ M zu finden. Ultra-kühle Sterne vom Typ M mit geringer Masse sind der häufigste Stern im Universum und machen etwa 75% aller Sterne in der Milchstraße aus. Zu wissen, dass sie bewohnbare Exoplaneten unterstützen könnten, erhöht die Wahrscheinlichkeit, einen zu finden, erheblich.
Darüber hinaus ist diese Studie eine SEHR gute Nachricht angesichts der jüngsten Forschungsergebnisse, die ernsthafte Zweifel an der Fähigkeit von Sternen vom Typ M aufkommen lassen, bewohnbare Planeten zu beherbergen. Diese Forschung wurde als Reaktion auf die vielen terrestrischen Planeten durchgeführt, die in den letzten Jahren um nahegelegene rote Zwerge entdeckt wurden. Was sie enthüllten, war, dass rote Zwergsterne im Allgemeinen zu viel Flare erfahren und ihre jeweiligen Planeten ihrer Atmosphäre berauben könnten.
Dazu gehören das 7-Planeten-TRAPPIST-1-System (drei davon befinden sich in der bewohnbaren Zone des Sterns) und der dem Sonnensystem am nächsten gelegene Exoplanet Proxima b. Die schiere Anzahl erdähnlicher Planeten, die um Sterne vom Typ M entdeckt wurden, zusammen mit der natürlichen Langlebigkeit dieser Klasse von Sternen hat viele in der astrophysikalischen Gemeinschaft dazu veranlasst, zu wagen, dass rote Zwergsterne der wahrscheinlichste Ort sind, um bewohnbare Exoplaneten zu finden.
Mit dieser neuesten Studie, die darauf hinweist, dass diese Planeten doch bewohnbar sein könnten, scheint es, dass der Ball tatsächlich wieder auf ihrem Platz ist!
