Seit der Bestätigung des ersten Exoplaneten im Jahr 1992 haben Astronomen Tausende von Welten jenseits unseres Sonnensystems gefunden. Da immer mehr Entdeckungen gemacht werden, verlagert sich der Schwerpunkt der Exoplanetenforschung langsam von der Entdeckung von Exoplaneten zur Charakterisierung von Exoplaneten. Im Wesentlichen versuchen Wissenschaftler nun, die Zusammensetzung von Exoplaneten zu bestimmen, um festzustellen, ob sie das Leben unterstützen könnten oder nicht.
Ein wesentlicher Teil dieses Prozesses besteht darin, herauszufinden, wie viel Wasser auf Exoplaneten vorhanden ist, was für das Leben, wie wir es kennen, wesentlich ist. Während einer kürzlich abgehaltenen wissenschaftlichen Konferenz präsentierte ein Team von Wissenschaftlern neue Forschungsergebnisse, die darauf hinweisen, dass Wasser wahrscheinlich ein Hauptbestandteil dieser Exoplaneten ist, die zwei- bis viermal so groß wie die Erde sind. Diese Erkenntnisse werden schwerwiegende Auswirkungen auf die Suche nach Leben jenseits unseres Sonnensystems haben.
Die Forschung war Gegenstand einer Präsentation mit dem Titel „Wachstumsmodellinterpretation der Planetengrößenverteilung“, die auf der Goldschmidt-Konferenz 2018 in Boston stattfand. Während einer Sitzung mit dem Titel „Die Rolle der extremen atmosphärischen Flucht vor heißen Exoplaneten“ präsentierte das Team Ergebnisse, die darauf hinwiesen, dass Wasserwelten häufiger vorkommen als bisher angenommen.
Diese Ergebnisse basierten auf Daten aus dem Kepler-Weltraumteleskop und Gaia Mission, die von einem internationalen Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Li Zeng - einem Forscher vom Department of Earth and Planetary Sciences der Harvard University - analysiert wurden. Wie sie angedeutet haben, ist die Kepler Mission hat die Radien von über 4000 Exoplaneten-Kandidaten zusammen mit ihren Umlaufzeiten und anderen Parametern genau gemessen.
Diese Exoplaneten-Kandidaten können in zwei Größenkategorien unterteilt werden: diejenigen mit dem 1,5-fachen Radius der Erde und diejenigen mit einem Durchschnitt von etwa 2,5 Erdradien. Kombiniert mit Massen- und Radiusmessungen aus dem Gaia In dieser Mission konnte das Team ein Modell der internen Struktur dieser Planeten entwickeln. Während Planeten, die in die erstere Kategorie fallen, als felsig angesehen werden, wird allgemein angenommen, dass die letzteren von Supererden bis zu Gasriesen in Neptungröße reichen.
Nach dem von Li und seinen Kollegen entwickelten Modell können jedoch viele der bestätigten Exoplaneten, die zwei- bis viermal so groß wie die Erde sind, tatsächlich Wasserwelten sein. Auf diesen Planeten bestehen ungefähr 50% der Masse aus Wasser, während Wasser nur 0,2% der Erdmasse ausmacht. Wie Dr. Zeng im Verlauf der Präsentation erklärte:
„Es war eine große Überraschung zu erkennen, dass es so viele Wasserwelten geben muss… Wir haben uns angesehen, wie sich Masse auf den Radius bezieht, und ein Modell entwickelt, das die Beziehung erklären könnte. Das Modell zeigt, dass diese Exoplaneten mit einem Radius von etwa x1,5 Erdradius tendenziell felsige Planeten sind (von typischerweise x5 der Masse der Erde), während diejenigen mit einem Radius von x2,5 Erdradius (mit einer Masse um x10) das der Erde) sind wahrscheinlich Wasserwelten “.
Wenn man jedoch die Umlaufbahnmerkmale dieser Planeten betrachtet (d. H. Wie eng sie mit ihren jeweiligen Sternen umkreisen), entsteht ein sehr interessantes Bild. Wie Li erklärte, sind diese „Wasserwelten“ nicht so sehr felsige Planeten, die von tiefen Ozeanen bedeckt sind, sondern ein völlig neuer Planetentyp, für den es im Sonnensystem kein Äquivalent gibt.
„Dies ist Wasser, aber nicht so häufig hier auf der Erde. Ihre Oberflächentemperatur wird voraussichtlich im Bereich von 200 bis 500 Grad Celsius liegen “, sagte er. „Ihre Oberfläche kann in eine von Wasserdampf dominierte Atmosphäre mit einer flüssigen Wasserschicht darunter gehüllt sein. Wenn man sich tiefer bewegt, würde man erwarten, dass sich dieses Wasser in Hochdruckeis verwandelt, bevor wir den festen felsigen Kern erreichen. Das Schöne am Modell ist, dass es erklärt, wie sich die Zusammensetzung auf die bekannten Fakten über diese Planeten bezieht. “
Noch überraschender war vielleicht, wie häufig diese Planeten zu sein scheinen. Laut ihrer Studie gaben Li und seine Kollegen an, dass etwa 35% aller bekannten Exoplaneten, die größer als die Erde sind, wasserreich sein sollten. Darüber hinaus nehmen sie an, dass sie sich wahrscheinlich auf ähnliche Weise gebildet haben, wie sich vermutlich die Kerne von Gasriesen gebildet haben - ein felsiger Kern, der von Schichten aus flüchtigem Material umgeben ist, die durch Druck fest werden.
Natürlich hat diese Entdeckung erhebliche Auswirkungen auf die Suche nach Leben jenseits unseres Sonnensystems. Bis jetzt war die Idee, dass Wasser lebenswichtig ist, wie wir es kennen, für Wissenschaftler eine ausgemachte Sache. Aber wenn diese Studie richtig ist, dann scheint es, dass Wasser auf Exoplaneten weitaus reichlicher ist als zuvor und ein Hindernis für das Leben sein könnte, wie wir es kennen.
Wenn Wasserwelten tatsächlich aus heißen, dampfenden Atmosphären und dichten Eisschichten bestehen, die näher an ihren Kernen liegen, wäre es für das Leben schwierig, auf diesen Welten aufzutauchen. Grundsätzlich würden die extreme Hitze und der fehlende Zugang zu ausreichend Sonnenlicht, hydrothermaler Aktivität und Landmassen zu einer ziemlich feindlichen Umgebung führen. Trotzdem bietet die Studie einige interessante Möglichkeiten, um Exoplaneten zu charakterisieren und zu sehen, was da draußen ist.
Mit Blick auf die Zukunft hoffen Li und seine Kollegen, dass das neu auf den Markt kommt Transit-Exoplaneten-Vermessungssatellit (TESS) wird noch viel mehr dieser Wasserwelten finden. Daran schließen sich bodengestützte Teleskope an - und die bald auf den Markt kommenden James Webb Weltraumteleskop (JWST) - liefert spektroskopische Messungen, mit denen Wissenschaftler die Zusammensetzung und Atmosphäre dieser Planeten charakterisieren können.
Als Professorin Sara Seager, Professorin für Planetenwissenschaften am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und stellvertretende wissenschaftliche Leiterin der TESS-Mission, sagte sie:
"Es ist erstaunlich zu denken, dass die rätselhaften Exoplaneten mittlerer Größe Wasserwelten mit riesigen Wassermengen sein könnten. Hoffentlich können Atmosphärenbeobachtungen in der Zukunft - von dicken Dampfatmosphären - die neuen Erkenntnisse unterstützen oder widerlegen. “
In der Zwischenzeit gibt es immer noch viele felsige Welten, die nach Lebenszeichen erkundet werden müssen!
