Im Herzen des NASA-Zentrums für Klimasimulation (NCCS) - Teil des Goddard Space Flight Center der NASA - befindet sich der Discover-Supercomputer, ein Cluster von Linux-basierten Prozessoren mit 129.000 Kernen. Dieser Supercomputer, der 6,8 Petaflops (6,8 Billionen) pro Sekunde ausführen kann, muss ausgefeilte Klimamodelle ausführen, um vorherzusagen, wie das Erdklima in Zukunft aussehen wird.
Das NCCS hat jedoch auch damit begonnen, einen Teil der Supercomputerleistung des Discover einzusetzen, um vorherzusagen, wie die Bedingungen auf einem der über 4.000 Planeten sein könnten, die außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt wurden. Diese Simulationen haben nicht nur gezeigt, dass viele dieser Planeten bewohnbar sein könnten, sie sind auch ein weiterer Beweis dafür, dass unsere Vorstellungen von „Bewohnbarkeit“ ein Umdenken gebrauchen könnten.
Trotz der schieren Anzahl von Exoplaneten-Entdeckungen, die in den letzten zehn Jahren stattgefunden haben, sind Wissenschaftler immer noch gezwungen, sich auf Klimamodelle zu verlassen, um festzustellen, welche von ihnen „potenziell bewohnbar“ sein könnten. Gegenwärtig ist die Erforschung dieser Planeten mit Raumfahrzeugen aufgrund der damit verbundenen Entfernungen völlig unpraktisch.
Wie bereits in einem früheren Artikel erwähnt, würde es zwischen 19.000 und 81.000 Jahre dauern, bis das nächste Sternensystem (Alpha Centauri) mit aktuellen Methoden und Technologien erreicht ist. Darüber hinaus ist eine direkte Beobachtung von Exoplaneten nur in seltenen Fällen mit den heutigen Teleskopen möglich, bei denen es sich typischerweise um massive Planeten handelt, die ihre Sterne in großer Entfernung umkreisen. Diese Planeten sind in der Regel Gasriesen und daher keine Kandidaten für Bewohnbarkeit.
Auf jeden Fall haben Astronomen festgestellt, dass alle Planeten, die jenseits unseres Sonnensystems beobachtet wurden, von Natur aus ziemlich vielseitig sind. Die bisher bestätigten 4.108 Exoplaneten waren größtenteils entweder Neptun-ähnliche Gasriesen (1375), Jupiter-ähnliche Gasriesen (1293) oder Super-Erden (1273). Nur 161 Exoplaneten waren terrestrischer Natur (auch bekannt als felsig oder „erdähnlich“), die alle um M-Sterne (Roter Zwerg) herum gefunden wurden.
Als Elisa Quintana - eine Astrophysikerin der NASA Goddard, die das Team leitete, das für die Entdeckung von Kepler-186f 2014 verantwortlich war, dem ersten erdgroßen Planeten in einer bewohnbaren Zone (HZ) - erklärte:
„Wissenschaftler haben sich lange Zeit wirklich darauf konzentriert, sonnen- und erdähnliche Systeme zu finden. Das ist alles was wir wussten. Aber wir haben herausgefunden, dass es diese ganze verrückte Vielfalt an Planeten gibt. Wir fanden Planeten so klein wie der Mond. Wir haben Riesenplaneten gefunden. Und wir haben einige gefunden, die winzige Sterne, Riesensterne und mehrere Sterne umkreisen. “
Die Entdeckung terrestrischer Planeten, die in den HZs der Roten Zwerge umkreisen, war zunächst eine Quelle großer Aufregung. Diese Sterne sind nicht nur die häufigsten in unserem Universum - sie machen 85% der Sterne allein in der Milchstraße aus -, sondern es wurde auch festgestellt, dass mehrere Sterne Sterne umkreisen, die sich in unmittelbarer Nähe des Sonnensystems befinden.
Dies schließt die drei Planeten ein, die innerhalb der HZ von TRAPPIST-1 (39,46 Lichtjahre entfernt) und Proxima b, dem der Erde am nächsten gelegenen Exoplaneten (4,24 Lichtjahre entfernt), umkreisen. Leider wurden in den letzten Jahren zahlreiche Studien durchgeführt, die darauf hinwiesen, dass es diesen Planeten schwer fallen würde, im Laufe der Zeit eine lebensfähige Atmosphäre aufrechtzuerhalten.
Einfach ausgedrückt bedeutet die Tatsache, dass sie kleiner und kühler sind, dass rote Zwerge HZs haben, die viel näher an ihren Oberflächen liegen. Dies bedeutet, dass jeder Planet, der mit dem HZ eines roten Zwergs umkreist, wahrscheinlich mit ihnen in Gezeiten eingeschlossen ist, was bedeutet, dass eine Seite ständig dem Stern zugewandt ist und die gesamte Wärme, Strahlung und den Sonnenwind des Sterns empfängt.
Ob diese Planeten bewohnbar sein könnten oder nicht, hängt daher von einer Reihe von Faktoren ab, wie dem Vorhandensein einer dichten Atmosphäre, dem Vorhandensein einer Magnetosphäre und der richtigen chemischen Häufigkeit. Anstatt Planeten direkt sehen und diese Bestandteile für das Leben ermitteln zu können (auch bekannt als Biosignaturen), verlassen sich Wissenschaftler auf Klimamodelle, um bei der Suche nach „potenziell bewohnbaren“ Exoplaneten zu helfen.
Laut Karl Stapelfeldt, dem exoplanetaren Chefwissenschaftler der NASA, der am Jet Propulsion Laboratory arbeitet, ist die Fähigkeit, das Klima auf anderen Planeten zu modellieren, absolut notwendig. zur Zukunft der Weltraumforschung „Die Modelle machen spezifische, überprüfbare Vorhersagen darüber, was wir sehen sollten“, sagte er. "Diese sind sehr wichtig für die Entwicklung unserer zukünftigen Teleskope und Beobachtungsstrategien."
Vereinfacht ausgedrückt beinhaltet die Klimamodellierung die Erstellung einer Simulation des Klimas der Erde (oder eines anderen Planeten) basierend auf bestimmten Bedingungen und / oder Umweltveränderungen. Diese Arbeit wurde jahrelang von Anthony Del Genio durchgeführt, einem kürzlich pensionierten planetarischen Klimaforscher am Goddard Institute for Space Studies der NASA. Während seiner Karriere führte Del Genio Klimasimulationen mit der Erde und anderen Planeten (einschließlich Proxima b) durch.
Zusammenfassend ist Proxima b ungefähr so groß wie die Erde und mindestens 1,3-mal so massereich. Es umkreist seinen Stern (Proxima Centauri) einmal alle 11,2 Erdentage und in einer Entfernung von 0,05 AE (5% der Entfernung zwischen Erde und Sonne). In dieser Entfernung ist der Planet wahrscheinlich gravitativ an seinen Stern gebunden, wobei eine Seite ständig der intensiven Strahlung des Sterns ausgesetzt ist, während die andere konstanter Dunkelheit und Gefriertemperaturen ausgesetzt ist.
Das Team von Del Genio hat jedoch kürzlich erneut mögliche Klimazonen auf Proxima b simuliert, um zu testen, wie viele zu einer warmen und feuchten Umgebung führen würden, die das Leben unterstützen kann. Interessanterweise zeigten diese Simulationen, dass Planeten wie Proxima b tatsächlich bewohnbar sein könnten, obwohl sie gezeitengesperrt sind und die gesamte Strahlung einer Seite ausgesetzt ist.
Um diese Simulationen durchzuführen, verwendete das Team von Del Genio den Discover-Supercomputer, um einen von ihnen selbst entwickelten Planetensimulator namens ROCKE-3D auszuführen. Dieser Simulator basiert auf einer Version des Erdklimamodells, das erstmals in den 1970er Jahren entwickelt und aktualisiert wurde, um das Klima auf anderen Planeten zu simulieren, teilweise basierend auf den möglichen Umlaufbahnen und ihrer atmosphärischen Zusammensetzung.
Für jede Simulation variierte das Team von Del Genio die Bedingungen auf Proxima b, um zu sehen, wie sich dies auf das Klima auswirken würde. Dies beinhaltete die Anpassung der Art und Menge der Treibhausgase in der Atmosphäre, der Tiefe, Größe und des Salzgehalts der Ozeane sowie des Verhältnisses von Land zu Wasser. Auf diese Weise konnten sie sehen, wie Wolken und Ozeane zirkulieren würden und wie die Strahlung der Sonne des Planeten mit der Atmosphäre und Oberfläche von Proxima b interagieren würde.
Sie fanden heraus, dass die hypothetische Wolkenschicht von Proxima b als Schutzschild fungiert, die Sonnenstrahlung von der Oberfläche ablenkt und die Temperatur auf der der Sonne zugewandten Seite von Proxima b senkt. Dies steht im Einklang mit Untersuchungen der Wissenschaftler Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC) der NASA Goddard, die zeigten, wie Proxima b Wolken bilden kann, die so massiv sind, dass sie den gesamten Himmel bedecken.
Wie Ravi Kopparapu, ein Planetologe der NASA Goddard, der auch das potenzielle Klima von Exoplaneten modelliert, erklärte:
„Wenn ein Planet gravitativ verriegelt ist und sich langsam um seine Achse dreht, bildet sich vor dem Stern ein Wolkenkreis, der immer darauf zeigt. Dies ist auf die als Coriolis-Effekt bekannte Kraft zurückzuführen, die an der Stelle, an der der Stern die Atmosphäre erwärmt, eine Konvektion verursacht. Unsere Modellierung zeigt, dass Proxima b so aussehen könnte. “
Zusammen mit der Zirkulation der Ozeane würde dieser Wolkenkreis auch bedeuten, dass sich warme Luft und warmes Wasser auf die dunkle Seite des Planeten bewegen könnten, wodurch eine Wärmeübertragung erreicht und der gesamte Planet gastfreundlicher gemacht würde. "Sie verhindern also nicht nur, dass die Atmosphäre auf der Nachtseite gefriert, sondern schaffen auf der Nachtseite Teile, die tatsächlich flüssiges Wasser auf der Oberfläche halten, obwohl diese Teile kein Licht sehen", sagte Del Genio.
Neben der Zirkulation und Aufrechterhaltung der Wärme sind Atmosphären und Meeresströmungen auch für die Verteilung von Gasen und chemischen Elementen verantwortlich, die für das Leben, wie wir es kennen, notwendig sind - z. Sauerstoffgas, Kohlendioxid, Methan usw. Diese werden als „Biosignaturen“ bezeichnet, da sie entweder für das Leben hier auf der Erde essentiell sind oder mit biologischen Prozessen verbunden sind.
"Wie wir es kennen" ist hier jedoch das Schlüsselwort. Gegenwärtig ist die Erde der einzige bekannte bewohnbare Planet, und die verschiedenen Lebensformen, die sie unterstützt, sind die einzigen uns bekannten Beispiele. Daher beschränkt sich die Suche nach Leben jenseits der Erde derzeit auf die Suche nach Biosignaturen, die für bekannte Lebensformen notwendig (und mit diesen verbunden) sind. Dies ist, was wir den "niedrig hängenden Obstansatz" nennen.
Darüber hinaus hat sich die Erde in den letzten Milliarden Jahren erheblich weiterentwickelt, ebenso wie die Lebensformen, die sie als Heimat bezeichnet haben. Während Sauerstoffgas heute für Säugetiere essentiell ist, wäre es für die photosynthetischen Bakterien toxisch gewesen, die in einer vor Milliarden von Jahren auf der Erde existierenden Atmosphäre mit überwiegend Kohlendioxid- und Stickstoffgas gedieh.
Während diese Art der Modellierung nicht mit Sicherheit sagen kann, ob ein Planet bewohnt ist, kann sie sicherlich dazu beitragen, die Suche einzugrenzen, indem gezeigt wird, welche Kandidaten vielversprechende Ziele für Follow-up-Beobachtungen sind. "Während unsere Arbeit Beobachtern nicht sagen kann, ob ein Planet bewohnbar ist oder nicht, können wir ihnen sagen, ob ein Planet im Mittelfeld guter Kandidaten liegt, um weiter zu suchen", sagte Del Genio.
Dies wird besonders in den kommenden Jahren hilfreich sein, wenn Teleskope der nächsten Generation in den Weltraum fliegen. Dazu gehören das James Webb-Weltraumteleskop, dessen Start für 2021 geplant ist, und das Weitfeld-Infrarot-Weltraumteleskop (WFIRST), das 2023 starten wird. Zusammen mit bodengestützten Observatorien wie dem Extrem Large Telescope (ELT) Mit Instrumenten können Wissenschaftler erstmals kleinere Planeten direkt beobachten.
Koronographen wie der Sternschatten werden auch einen großen Unterschied machen, indem sie das Licht von Sternen übertönen, wodurch das von der Atmosphäre eines Planeten reflektierte Licht ansonsten verdeckt wird. Diese und andere Entwicklungen bedeuten, dass Astronomen auch die Atmosphäre felsiger Exoplaneten untersuchen können, um schließlich mit Sicherheit sagen zu können, welche Planeten „potenziell bewohnbar“ sind.
Schauen Sie sich unbedingt diese Animation an, wie das Klima von Proxima b aussehen könnte, mit freundlicher Genehmigung von Del Genios Team und dem NASA Goddard Space Flight Center:
