Forscher definieren Größenuntergrenze für lebensfreundliche Planeten neu

Cambridge (USA) – Wie klein darf ein Planet sein, damit eine Atmosphäre und so die Grundlage des uns bekannten Lebens lange genug aufrechterhalten werden kann, damit Leben entstehen und sich entwickeln kann? US-Forscher haben sich dieser Frage angenommen und neben der „habitablen Zone“ ein weiteres Merkmal für die Lebensfreundlichkeit von Planeten beschrieben. Zugleich beantworten sie ein langjähriges astrobiologisches Rätsel.

Wie das Team um Constantin W. Arnscheidt u.a. von der Harvard University aktuell im „Astrophysical Journal“ (DOI: 10.3847/1538-4357/ab2bf2) berichtet, haben sie eine neue Untergrenze für die Größe von Planeten ermittelt, innerhalb derer ein Planet oder Mond eine Atmosphäre binden und flüssiges Oberflächenwasser für lange Zeiträume aufrechterhalten kann. Auf diese Weise erweitert die neue Studie auch das Suchgebiet nach Leben im Universum und beleuchtet den wichtigen Prozess der atmosphärischen Evolution auf kleinen Planeten mit entsprechend geringer Schwerkraft.

„Denken wir an die Grenzen der habitablen Zone, so denken wir meist nur über räumliche Faktoren, etwa darüber nach, wie nahe ein Planet seinen Stern umkreist“, erläutert Constantin Arnscheidt, Erstautor der Studie. „Tatsächlich gibt es aber viele andere Variablen für die Lebensfreundlichkeit, darunter auch die Planetenmasse. Die Festlegung einer Untergrenze für die Lebensfreundlichkeit in Bezug auf die Planetengröße gibt uns eine wichtige Grenze bei unserer andauernden Suche nach bewohnbaren Exoplaneten und Exomonden.“

Hintergrund
Allgemeine werden Planeten als bewohnbar bzw. lebensfreundlich betrachtet, wenn sie flüssiges Oberflächenwasser (im Gegensatz zu gefrorenem oder verdampfendem Wasser) lange genug aufrechterhalten können, um die Entwicklung des Lebens zu ermöglichen – konservativ geschätzt etwa mind. eine Milliarde Jahre. Dies ist dann möglich, wenn ein Planet seinen Stern innerhalb dessen sog. habitabler Zone umkreist. Diese „lebensfreundliche Zone“ beschriebt jene Abstandsregion, innerhalb derer ein Planet seinen Stern umkreisen muss, damit aufgrund gemäßigter Oberflächentemperaturen Wasser in flüssiger Form – und damit die Grundlage zumindest des uns bekannten, irdischen Lebens – existieren kann. Kleinere Sterne, die kleiner, kühler und leichter als unsere Sonne sind, haben eine entsprechend näher gelegene habitable Zone als größere, heißere Sterne.

Der innere Rand dieser „grünen Zone“ wird dadurch definiert, wie nah ein Planet seinen Stern umkreisen darf, bevor ein außer Kontrolle geratener Treibhauseffekt zur Verdunstung des gesamten Oberflächenwassers führt. Wie Arnscheidt und seine Kollegen nun zeigten, gilt diese Definition jedoch nicht für kleine Planeten mit geringer Schwerkraft.

Ein solcher außer Kontrolle geratener Treibhauseffekt tritt dann auf, wenn die Atmosphäre mehr Wärme aufnimmt, als sie wieder in den Weltraum abgeben kann. Dies verhindert, dass der Planet abkühlt, und führt schließlich zu einer unaufhaltsamen Erwärmung, die vorhandene Ozeane schließlich in Dampf verwandelt.

Nimmt die Planetengröße aber ab, passiert etwas Wichtiges: Während sie sich erwärmen, dehnen sich ihre Atmosphären nach außen aus und werden im Verhältnis zur Größe des Planeten immer größer. Derart ausgedehnte Atmosphären erhöhen sowohl die Absorption, also die Aufnahme, als auch die Abstrahlung von Wärme, wodurch der Planet eine stabilere Temperatur aufrechterhalten kann. Die Wissenschaftler und Wissenschaftler fanden heraus, dass die atmosphärische Ausdehnung verhindert, dass Planeten mit geringer Schwerkraft einen außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt durchlaufen, wodurch sie das flüssige Oberflächenwasser aufrechterhalten können, während sie näher an ihren Sternen umkreisen.

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Werden Planeten aber zu klein, so verlieren sie ihre gesamte Atmosphäre und das flüssige Oberflächenwasser gefriert oder verdampft. In ihrer Studie zeigen die Forscher, dass es hier eine kritische Größe gibt, unterhalb derer ein Planet niemals lebensfreundlich sein kann.

Das wiederum bedeutet, dass die lebensfreundliche Zone nicht nur räumlich sondern auch in Bezug auf die Größe des Planeten begrenzt ist.

Demnach ist die kritische Größe bei etwa 2,7 Prozent der Erdmasse erreicht (s. Abb.o.): „Wenn ein Objekt kleiner als 2,7 Prozent der Masse der Erde ist, entweicht seine Atmosphäre, bevor es jemals die Möglichkeit hat, flüssiges Oberflächenwasser zu entwickeln, ähnlich wie es heute mit Kometen geschieht. Um dies in einen Zusammenhang zu bringen: Der Mond macht 1,2 Prozent der Erdmasse aus und Merkur 5,53 Prozent.“

Zudem konnten die Wissenschaftler um Arnscheidt auch die lebensfreundlichen Zonen dieser kleinen Planeten um bestimmte Sterne schätzen. Hierzu wurden zwei Szenarien für zwei verschiedene Arten von Sternen modelliert: Ein Stern vom Typ G, wie unsere eigene Sonne und ein Stern vom Typ M, der einem roten Zwerg im Sternbild Löwe nachempfunden wurde.

Die Forscher lösten hinzu in weiteres langjähriges Rätsel in unserem eigenen Sonnensystem: Lange Zeit hatten Astronomen gefragt, ob Jupiters eisige Monde Europa, Ganymede und Callisto (unter deren kilometerdicken Eiskrusten flüssige Ozeane verborgen sind) lebensfreundliche würden, wenn die Sonnenstrahlung zunehmen würde. Basierend auf diesen Untersuchungen sind auch diese Monde zu klein, um flüssiges Oberflächenwasser zu halten, selbst wenn sie näher an der Sonne wären. „Wasserwelten mit geringer Masse sind eine faszinierende Möglichkeit auf der Suche nach Leben, und diese Arbeit zeigt, wie unterschiedlich sich ihr Verhalten wahrscheinlich von dem von erdähnlichen Planeten unterscheidet.“

Quelle: Harvard University

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Andreas Müller

Autor und Publizist