Neue Studie zur Bewohnbarkeit des Exoplaneten Proxima b

Künstlerische Darstellung der Oberfläche des Planeten Proxima b, der den roten Zwergstern Proxima Centauri umkreist. (Credit: ESO / M. Kornmesser)
Künstlerische Darstellung der Oberfläche des Planeten Proxima b, der den roten Zwergstern Proxima Centauri umkreist. (Credit: ESO / M. Kornmesser)

Proxima b, ein erdgroßer Planet außerhalb unseres Sonnensystems in der habitablen Zone seines Heimatsterns, ist vielleicht nicht in der Lage, seine Atmosphäre zu halten. Dadurch wäre die Oberfläche gefährlicher stellarer Strahlung ausgesetzt, was die potenzielle Bewohnbarkeit des Planeten reduzieren würde.

Mit nur etwa vier Lichtjahren Entfernung ist Proxima b unser nächster bekannter Nachbar jenseits des Sonnensystems. Aufgrund der Tatsache, dass er nie bei einem Transit vor seinem Zentralstern beobachtet wurde, schließt der Exoplanet die übliche Methode zur Untersuchung seiner Atmosphäre aus. Stattdessen müssen sich die Wissenschaftler auf Modelle stützen, um herauszufinden, ob der Exoplanet bewohnbar ist.

Ein solches Computermodell simulierte, was geschähe, wenn die Erde den Stern Proxima Centauri in derselben Umlaufbahn wie Proxima b umkreisen würde. Proxima Centauri ist unser nächster stellarer Nachbar und der Zentralstern von Proxima b. Die NASA-Studie wurde am 24. Juli 2017 in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht und spricht dafür, dass die Erdatmosphäre in derartiger Nähe zu dem roten Zwergstern nicht bestehen würde.

"Wir entschieden uns, den einzigen bewohnbaren Planeten zu nehmen, den wir bislang kennen – die Erde -, und ihn an die Stelle von Proxima b zu setzen", sagte Katherine Garcia-Sage, eine Weltraumwissenschaftlerin am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland) und Hauptautorin der Studie. Die Forschungsarbeit wurde vom Astrobiology Institute der NASA und von der NExSS Coalition der NASA unterstützt, die die Suche nach Leben auf Planeten außerhalb des Sonnensystems leitet.

Nur weil die Umlaufbahn von Proxima b in der habitablen Zone liegt, bedeutet das nicht, dass der Planet bewohnbar ist (die habitable Zone ist die Entfernung zu einem Stern, wo ein Planet flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche aufweisen könnte). Es wird zum Beispiel nicht berücksichtigt, ob auf dem Planeten überhaupt Wasser vorhanden ist oder ob eine Atmosphäre in der Umlaufbahn aufrechterhalten werden könnte. Atmosphären sind für Leben, wie wir es kennen, ebenso eine Grundvoraussetzung: Die richtige Atmosphäre ermöglicht die Regulierung des Klimas, die Aufrechterhaltung eines wasserfreundlichen Oberflächendrucks, den Schutz vor gefährlichem Weltraumwetter und das Beherbergen der chemischen Bausteine des Lebens.

Das Computermodell von Garcia-Sage und ihren Kollegen nutzte die Erdatmosphäre, ihr Magnetfeld und ihre Gravitation als Platzhalter für die betreffenden Eigenschaften von Proxima b. Die Forscher berechneten außerdem, wie viel Strahlung Proxima Centauri durchschnittlich produziert, basierend auf Beobachtungen mit dem NASA-Weltraumteleskop Chandra. Mit diesen Daten simuliert ihr Modell, wie die intensive Strahlung des Zentralsterns und häufige Ausbrüche die Atmosphäre des Exoplaneten beeinflussen.

"Die Frage ist, wie viel der Atmosphäre verloren geht und wie schnell dieser Prozess abläuft", sagte Ofer Cohen von der University of Massachusetts in Lowell und Co-Autor der Studie. "Wenn wir diese Zeitspanne schätzen, können wir berechnen, wie lange es dauert, bis die Atmosphäre vollständig verschwunden ist und es mit der Lebenszeit des Planeten vergleichen."

Ein aktiver roter Zwergstern wie Proxima Centauri erodiert die Atmosphäre, wenn hochenergetische, extreme Ultraviolettstrahlung die atmosphärischen Gase ionisiert, Elektronen herausschlägt und eine Fülle an elektrisch geladenen Teilchen produziert. Bei diesem Prozess gewinnen die freigesetzten Elektronen genug Energie, dass sie der Gravitation des Planeten leicht entkommen und aus der Atmosphäre entweichen können. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an; wenn also mehr negativ geladene Elektronen die Atmosphäre verlassen, schaffen sie eine starke Ladungstrennung, die positiv geladene Ionen mit in den Weltraum zieht.

In der habitablen Zone von Proxima Centauri ist Proxima b Ausbrüchen extremer Ultraviolettstrahlung ausgesetzt, die hunderte Male stärker sind als jene, die die Erde von der Sonne erfährt. Diese Strahlung erzeugt genug Energie, um nicht nur die leichtesten Moleküle (Wasserstoff) mitzureißen, sondern mit der Zeit auch schwerere Elemente wie Sauerstoff oder Stickstoff. Das Modell zeigt, dass die starke Strahlung von Proxima Centauri die erdähnliche Atmosphäre bis zu 10.000 Mal schneller erodiert als es hier auf der Erde geschieht.

"Dies war eine einfache Berechnung, ausgehend von der durchschnittlichen Aktivität des Zentralsterns", sagte Garcia-Sage. "Sie berücksichtigt keine Variationen wie extreme Aufheizung in der stellaren Atmosphäre oder gewaltige stellare Störungen am Magnetfeld des Exoplaneten. Solche Dinge würden sogar noch mehr ionisierende Strahlung produzieren und die Atmosphäre noch schneller entweichen lassen."

Um zu verstehen, wie sich der Prozess verändern kann, betrachteten die Wissenschaftler auch zwei andere Faktoren, die den Verlust der Atmosphäre verstärken. Zum einen berücksichtigten sie die Temperatur der neutralen Atmosphäre, der sogenannten Thermosphäre. Sie stellten fest, dass das Entweichen der Atmosphäre zunimmt, wenn sich die Thermosphäre durch mehr stellare Strahlung aufheizt.

Zum anderen befassten sie sich mit der Größe der Region, über der das Entweichen der Atmosphäre stattfindet – die Polkappe. Planeten sind an ihren Magnetpolen am empfindlichsten für magnetische Effekte. Wenn die Magnetfeldlinien an den Polen geschlossen sind, ist die Polkappe begrenzt und die geladenen Teilchen bleiben in der Nähe des Planeten gefangen. Im Gegensatz dazu wird das Entweichen verstärkt, wenn die Magnetfeldlinien offen sind und eine Einbahnstraße in den Weltraum bieten.

In seiner Umlaufbahn könnte der Exoplanet Proxima b eine erdähnliche Atmosphäre wahrscheinlich nicht halten. (Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center / Mary Pat Hrybyk-Keith)
In seiner Umlaufbahn könnte der Exoplanet Proxima b eine erdähnliche Atmosphäre wahrscheinlich nicht halten. (Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center / Mary Pat Hrybyk-Keith)

"Diese Studie betrachtet einen unterrepräsentierten Aspekt der Bewohnbarkeit, und zwar den Verlust der Atmosphäre im Kontext der Stellarphysik", sagte Shawn Domagal-Goldman, ein Forscher am Goddard Space Flight Center, der nicht an der Studie beteiligt war. "Planeten besitzen viele verschiedene interagierende Systeme und es ist wichtig sicherzustellen, dass wir diese Wechselwirkungen in unsere Modelle einbeziehen."

Die Wissenschaftler zeigen, dass Proxima b mit den höchsten Temperaturen der Thermosphäre und einem komplett offenen Magnetfeld in 100 Millionen Jahren das Äquivalent der gesamten Erdatmosphäre verlieren könnte. Und das ist nur ein Bruchteil der bisherigen vier Milliarden Jahre Lebenszeit von Proxima b. Als die Forscher die niedrigsten Temperaturen und ein geschlossenes Magnetfeld annahmen, dauerte der Verlust der atmosphärischen Masse über zwei Milliarden Jahre.

"Es kann interessant werden, falls ein Exoplanet seine Atmosphäre halten kann, aber die atmosphärischen Entweichraten von Proxima b sind so hoch, dass eine Bewohnbarkeit nicht plausibel ist", sagte Jeremy Drake, ein Astrophysiker am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) und Co-Autor der Studie. "Das stellt die Bewohnbarkeit von Planeten um solche roten Zwergsterne allgemein infrage."

Rote Zwergsterne wie Proxima Centauri oder der Zentralstern von TRAPPIST-1 sind oft Ziele bei der Suche nach Exoplaneten, weil sie die kühlsten, kleinsten und häufigsten Sterne in der Galaxie sind. Weil sie kühler und schwächer sind, müssen die Planeten enge Umlaufbahnen haben, damit flüssiges Wasser auf ihnen vorhanden sein kann.

Aber solange dem Entweichen der Atmosphäre nicht durch andere Prozesse entgegengewirkt wird (beispielsweise starke vulkanische Aktivität oder das Bombardement durch Kometen) ist diese Nähe nicht zuträglich für die Aufrechterhaltung einer Atmosphäre, wie Forscher immer öfter feststellen.

Quelle

(THK)

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