Diese bislang unbekannte Welt hat das Interesse der Wissenschaftler geweckt.
Vor einigen Monaten rief mich eine Gruppe von Exoplaneten-Astronomen der NASA, die mit der Entdeckung von Planeten im Umfeld anderer Sterne beschäftigt sind, zu einem vertraulichen Treffen, um mir von einem Planeten zu erzählen, der ihr Interesse geweckt hatte. Weil meine Expertise in der Modellierung des Klimas von Exoplaneten liegt, fragten sie mich, ob dieser neue Planet bewohnbar sei – ein Ort, an dem es möglicherweise Wasservorkommen gibt.
Diese NASA-Kollegen, Josh Schlieder und seine Schüler Emily Gilbert, Tom Barclay und Elisa Quintana, hatten Daten des TESS-Satelliten (Transiting Exoplanet Survey Satellite) studiert, wobei sie entdeckten, was möglicherweise der erste bekannte von TESS entdeckte erdgroße Planet innerhalb einer Zone ist, in der Wasser auf der Oberfläche eines terrestrischen Planeten existieren könnte. Das ist eine sehr aufregende Nachricht, da dieser neue Planet relativ nah an der Erde liegt und es möglich sein könnte, seine Atmosphäre entweder mit dem James Webb-Weltraumteleskop oder mit bodengestützten Großteleskopen zu beobachten.
Planeten in bewohnbaren Zonen
Der Wirtsstern des Planeten, den Gilberts Team entdeckt hat, heißt ‘TESS of Interest Number 700’ oder kurz ‘TOI-700’. Im Vergleich zur Sonne ist es ein kleiner, trüber Stern. Er hat 40% der Größe der Sonne, nur etwa 1/50 der Sonnenhelligkeit und befindet sich ungefähr 100 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Dorado, das von unserer südlichen Hemisphäre aus sichtbar ist. Zum Vergleich: Der uns nächstgelegene Stern, Proxima Centauri, ist 4,2 Lichtjahre von der Erde entfernt. Um ein Gefühl für diese Entfernungen zu bekommen, würde man, wenn man mit dem schnellsten Raumschiff (Parker Solar Probe) zum Proxima Centauri reiste, dafür fast 20.000 Jahre benötigen.
Es gibt drei Planeten um TOI-700 herum: b, c und d. Planet d ist erdgroß, befindet sich in der bewohnbaren Zone des Sterns und umkreist TOI-700 alle 37 Tage. Meine Kollegen wollten, dass ich aus den bekannten Eigenschaften von Stern und Planet ein Klimamodell für Planet d erstelle. Die Planeten b und c haben die Größe der Erde bzw. eines Mini-Neptuns. Sie kreisen jedoch viel näher um ihren Gastgeberstern herum und erhalten das 5-fache und 2,6-fache des Sternenlichts, das unsere eigene Erde von der Sonne erhält. Zum Vergleich: Die Venus, eine trockene und höllisch heiße Welt mit einer Oberflächentemperatur von etwa 460 Grad Celsius, empfängt doppelt so viel Sonnenlicht wie die Erde.
Bis vor etwa einem Jahrzehnt waren den Astronomen nur zwei Planeten innerhalb der bewohnbaren Zone bekannt: die Erde und der Mars. In den letzten zehn Jahren haben Astronomen dann dank der Entdeckungen durch sowohl bodengestützte Teleskope als auch durch die Kepler-Mission (die von 2009 bis 2019 ebenfalls nach Exoplaneten gesucht hatte, seitdem aber eingestellt ist) etwa ein Dutzend Exoplaneten von terrestrischer Größe entdeckt. Diese sind in den bewohnbaren Zonen ihrer Wirtssterne zwischen halb und zweimal so groß wie die Erde.
Trotz der bislang relativ großen Zahl kleiner Exoplaneten befinden sich die meisten Sterne zwischen 600 und 3.000 Lichtjahre von der Erde entfernt – zu weit entfernt und zu dunkel für eine detaillierte weitere Beobachtung.
TESS hat seinen ersten erdgroßen Planeten in der bewohnbaren Zone seines Sterns entdeckt, in einem Entfernungsbereich, in dem die Bedingungen für das Vorkommen von Wasser auf der Oberfläche genau richtig sind.
Warum ist Wasser so wichtig für die Bewohnbarkeit?
Im Gegensatz zu Kepler besteht die Mission von TESS darin, nach Planeten in der Nähe der nächsten Nachbarn der Sonne zu suchen: jene, die hell genug sind, um an ihnen nachfolgende Beobachtungen durchführen zu können.
Zwischen April 2018 und jetzt hat TESS mehr als 1.500 Planetenkandidaten entdeckt. Die meisten sind mehr als doppelt so groß wie die Erdem mit Umlaufbahnen von weniger als 10 Tagen. Die Erde braucht natürlich 365 Tage, um unsere Sonne zu umkreisen. Infolgedessen erhalten die Planeten erheblich mehr Wärme von der Sonne als die Erde und sind damit zu heiß, als dass Wasser an der Oberfläche vorhanden wäre.
Fließendes Wasser ist für jede Bewohnbarkeit unerlässlich. Es bietet ein Medium für die Wechselwirkung von Chemikalien. Während es möglich ist, dass exotisches Leben bei höherem Druck oder heißeren Temperaturen existiert – wie etwa die Extremophilen, die in der Nähe von hydrothermalen Schloten gefunden wurden, oder Mikroben, die eine halbe Meile unter dem westantarktischen Eisschild gefunden wurden –, so waren diese Entdeckungen letztlich nur möglich, weil der Mensch in der Lage war, diese extremen Umgebungen direkt zu erforschen. Sie wären aus der Entfernung des Weltalls heraus nicht nachweisbar gewesen.
Wenn es darum geht, Leben oder sogar Lebensbedingungen jenseits unseres Sonnensystems zu finden, sind wir ausschließlich auf Fernbeobachtungen angewiesen. Flüssiges Oberflächenwasser kann bewohnbare Bedingungen schaffen, die Leben ermöglichen. Diese Lebensformen können dann mit der Atmosphäre über ihnen interagieren und fernerkennbare Lebenssituationen erzeugen, die erdgestützte Teleskope erkennen können. Bei diesen Lebensmerkmalen kann es sich um aktuelle erdähnliche Gaszusammensetzungen (Sauerstoff, Ozon, Methan, Kohlendioxid und Wasserdampf) oder die Zusammensetzung der Erde vor 2,7 Milliarden Jahren (hauptsächlich Methan und Kohlendioxid, jedoch kein Sauerstoff) handeln.
Wir kennen einen solchen Planeten, auf dem dies bereits passiert ist: die Erde. Daher ist es das Ziel der Astronomen, jene Planeten zu finden, die etwa erdgroß sind und in jenen Abständen vom Stern kreisen, bei denen Wasser in flüssiger Form auf der Oberfläche existieren könnte. Diese Planeten werden unsere Hauptziele sein, um nach bewohnbaren Welten und Lebensmerkmalen außerhalb unseres Sonnensystems zu suchen.
Die drei Planeten des TOI 700-Systems umkreisen einen kleinen, kühlen M-Zwergstern. TOI 700 d ist die erste von TESS entdeckte erdgroße bewohnbare Zone. – Goddard Space Flight Center der NASA
Mögliche Klimabedingungen für den Planeten TOI-700 D
Um zu beweisen, dass TOI-700 d real ist, musste Gilberts Team die Verwendung von Daten eines anderen Teleskoptyps bestätigen. TESS erkennt Planeten, wenn sie vor dem Stern kreuzen, was zu einer Verdunklung des Sternenlichts führt. Solche Einbrüche könnten jedoch auch durch andere Quellen erzeugt werden, wie etwa durch störendes Instrumentenrauschen oder durch Doppelsterne im Hintergrund, die sich gegenseitig verdunkeln und so falsche positive Signale erzeugen. Unabhängige Beobachtungen kamen von Joey Rodriguez vom Zentrum for Astrophysik an der Harvard Universität. Rodriguez und sein Team bestätigten die TESS-Erkennung von TOI-700 d mit dem Spitzer-Teleskop und beseitigten alle verbleibenden Zweifel daran, dass es sich um einen echten Planeten handelt.
Meine Studentin Gabrielle Engelmann-Suissa und ich haben mit unserer Modellierungssoftware herausgefunden, welche Art von Klima auf dem Planeten TOI-700 d existieren könnte. Da wir noch nicht wissen, welche Art von Gasen dieser Planet tatsächlich in seiner Atmosphäre hat, untersuchen wir mithilfe unserer Klimamodelle mögliche Gaskombinationen, die flüssige Ozeane auf seiner Oberfläche ermöglichen könnten. Engelmann-Suissa hat mit Hilfe meines langjährigen Mitarbeiters Eric Wolf verschiedene Szenarien getestet, darunter die aktuelle Erdatmosphäre (77% Stickstoff, 21% Sauerstoff, verbleibendes Methan und Kohlendioxid) und die Zusammensetzung der Erdatmosphäre vor 2,7 Milliarden Jahren (hauptsächlich Methan) und Kohlendioxid) und sogar eine Marsatmosphäre (viel Kohlendioxid), wie sie möglicherweise vor 3,5 Milliarden Jahren existierte.
Basierend auf unseren Modellen haben wir herausgefunden, dass der Planet bewohnbar sein könnte, wenn die Atmosphäre des Planeten TOI-700 d eine Kombination aus Methan, Kohlendioxid oder Wasserdampf enthält. Jetzt muss unser Team diese Hypothesen mit dem James Webb Weltraumteleskop bestätigen.
Bakterien, die unter rauen Bedingungen wie diesem geothermischen Becken im Yellowstone-Nationalpark leben, liefern Hinweise auf bewohnbare Zonen auf anderen Planeten.
Fremde neue Welten und ihr Klima
Die Klimasimulationen, die unser NASA-Team durchgeführt hat, legen nahe, dass eine erdähnliche Atmosphäre und ein Gasdruck allein nicht ausreichen, um fließendes Wasser auf seiner Oberfläche zu erlauben. Wenn wir die gleiche Menge Treibhausgase wie auf der Erde auf TOI-700d anwenden, würde die Oberflächentemperatur auf diesem Planeten immer noch unter dem Gefrierpunkt liegen.
Unsere eigene Atmosphäre unterstützt jetzt einen flüssigen Ozean auf der Erde, weil unser Stern ziemlich groß und heller als TOI-700 ist. Eines ist sicher: Alle Modelle unserer Teams zeigen, dass das Klima von Planeten um kleine und dunkle Sterne wie TOI-700 sehr verschieden ist von dem, was wir auf unserer Erde erleben.
Die Forschung über Exoplaneten befindet sich in einer Übergangsphase von der Entdeckung hin zur Charakterisierung ihrer Atmosphären. In der Geschichte der Astronomie ermöglichen neue Techniken neue Beobachtungen des Universums, darunter Überraschungen wie seinerzeit die Entdeckung von heißen Jupitern und Mini-Neptunen, die in unserem Sonnensystem einzigartig sind. Die Bühne ist nun bereit, die Atmosphären dieser Planeten zu beobachten, um zu sehen, welche von ihnen etwa Bedingungen aufweisen, die Leben ermöglichen könnten.
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Verweise:
- https://scholar.google.com/citations?user=SVYEFJcAAAAJ&hl=en
- https://science.gsfc.nasa.gov/sed/bio/joshua.e.schlieder
- https://astro.uchicago.edu/people/emily-gilbert.php
- https://science.gsfc.nasa.gov/sed/bio/elisa.quintana
- https://www.nasa.gov/tess-transiting-exoplanet-survey-satellite
- https://www.jwst.nasa.gov/
- https://arxiv.org/abs/2001.00952
- http://parkersolarprobe.jhuapl.edu/
- https://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/main/index.html
- https://exoplanets.cfa.harvard.edu/people/joseph-rodriguez
- https://arxiv.org/abs/2001.00954
- http://www.spitzer.caltech.edu/
- https://science.gsfc.nasa.gov/sed/bio/gabrielle.engelmann-suissa
- https://arxiv.org/abs/2001.00955
- https://www.researchgate.net/profile/Eric_Wolf3
