Neue Studie mit Klimamodellen zu den sieben Planeten im System TRAPPIST-1

Nicht alle Sterne sind wie die Sonne, daher können nicht alle Planetensysteme mit den gleichen Erwartungen untersucht werden. Eine neue Forschungsarbeit unter Leitung von Astronomen der University of Washington (UW) gibt aktualisierte Klimamodelle für die sieben Planeten um den Stern TRAPPIST-1.

Die Arbeit könnte Astronomen auch helfen, Planeten um jene Sterne besser zu untersuchen, die unserer Sonne nicht gleichen, und die begrenzten, teuren Ressourcen des James Webb Space Telescope besser zu nutzen. Der Start des Teleskops ist für das Jahr 2021 geplant.

“Wir modellieren ungewohnte Atmosphären und gehen nicht einfach davon aus, dass die Dinge, die wir im Sonnensystem beobachten, um andere Sterne genauso aussehen werden”, sagte Andrew Lincowski, Doktorand an der UW und Hauptautor einer Abhandlung, die am 1. November 2018 im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde. “Wir haben die Forschung durchgeführt, um zu zeigen, wie diese unterschiedlichen Atmosphärentypen aussehen könnten.”

Kurz gesagt, stellte das Team fest, dass sich alle sieben Welten aufgrund einer extrem heißen und hellen Entwicklungsphase des Sterns wie die Venus entwickelt haben könnten. Mögliche frühe Ozeane könnten verdampft sein und dichte, unbewohnbare Atmosphären hinterlassen haben. Ein Planet allerdings, TRAPPIST-1e, könnte einen erdähnlichen Ozean aufweisen und wäre weitere Studien wert, was frühere Studien ebenfalls ergeben haben.

TRAPPIST-1 liegt etwa 39 Lichtjahre entfernt und ist so klein, wie ein Stern nur sein kann, um noch als Stern zu gelten. Als ein relativ kühler M-Zwerg – der häufigste Sterntyp im Universum – besitzt er rund neun Prozent der Sonnenmasse und etwa zwölf Prozent ihres Radius. Der Radius von TRAPPIST-1 ist nur wenig größer als der des Planeten Jupiter, wenngleich der Stern wesentlich mehr Masse besitzt.

Alle sieben Planeten von TRAPPIST-1 haben ungefähr die Größe der Erde, und drei von ihnen – TRAPPIST-1e, f und g – liegen in seiner habitablen Zone. Das ist die Region um einen Stern, wo ein Gesteinsplanet flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche beherbergen und damit Leben eine Chance geben könnte. TRAPPIST-1d befindet sich am inneren Rand der habitablen Zone, während TRAPPIST-1h weiter außerhalb hinter dem äußeren Rand der habitablen Zone seine Bahnen zieht.

“Das ist eine ganze Reihe Planeten, die uns Einblicke in die Entwicklung von Planeten geben können, insbesondere um einen Stern, der sich von unserem stark unterscheidet und anderes Licht emittiert”, sagte Lincowski. “Es ist einfach eine Goldmine.”

Laut Lincowski haben frühere Arbeiten die Welten von TRAPPIST-1 modelliert, aber er und sein Forschungsteam versuchten, die gründlichste physikalische Modellierung zu erstellen, die sie in Bezug auf die Strahlung und Chemie bekommen konnten. Sie versuchten, die Physik und Chemie so korrekt wie nur möglich darzustellen.

Die Strahlungs- und Chemiemodelle des Teams ergeben spektrale Wellenlängen als Signaturen für jedes atmosphärische Gas. Damit können die Beobachter besser vorhersagen, wo in den planetaren Atmosphären sie nach diesen Gasen suchen sollen. Lincowski sagte, wenn eines Tages tatsächlich Spuren dieser Gase mit dem James Webb Space Telescope oder anderen Teleskopen registriert werden, dann würden Astronomen die beobachteten Spitzen und Täler in den Spektren verwenden, um abzuleiten, welche Gase dort präsent sind. Das würden sie mit Arbeiten wie unserer vergleichen, um etwas über die planetare Zusammensetzung, seine Umwelt und vielleicht seine Entwicklungsgeschichte zu sagen.

Lincowski zufolge denken Menschen üblicherweise an die Bewohnbarkeit eines Planeten um Sterne ähnlich unserer Sonne. “Aber M-Zwerge sind ganz anders, deswegen muss man wirklich die chemischen Auswirkungen der Atmosphäre(n) bedenken und wie diese Chemie das Klima beeinflusst.”

Durch die Kombination terrestrischer Klimamodelle mit Modellen zur Photochemie simulierten die Forscher Umweltzustände für jede Welt des Systems TRAPPIST-1. Ihre Modelle sprechen dafür, dass

• TRAPPIST-1b, der innerste Planet, eine siedend heiße Welt ist, die sogar für die Bildung von Schwefelsäurewolken wie auf der Venus zu heiß ist.
• die Planeten TRAPPIST-1c und d geringfügig mehr Energie von ihrem Stern erhalten als die Venus und die Erde von der Sonne. Sie könnten venusähnlich sein und eine dichte, unbewohnbare Atmosphäre besitzen.
• TRAPPIST-1e von den sieben Planeten am wahrscheinlichsten flüssiges Wasser auf einer gemäßigten Oberfläche aufweist und eine exzellente Wahl für weitere Studien zur Bewohnbarkeit wäre.
• die äußeren Planeten TRAPPIST-1f, g und h venusähnlich oder gefroren sein könnten, abhängig davon, wie viel Wasser auf den Planeten während ihrer Entwicklung entstand.

Lincowski sagte, dass tatsächlich alle oder keiner der Planeten im System TRAPPIST-1 venusähnlich sein könnten und alles Wasser lange verdampft sein könnte. Wenn Wasser von einer Planetenoberfläche verdampft, spaltet ultraviolettes Licht des Sterns die Wassermoleküle und setzt Wasserstoff frei, der das leichteste Element ist und der Gravitation des Planeten entkommen kann. Dieser Prozess könnte viel Sauerstoff zurücklassen, der in den Atmosphären der Planeten verbleiben und das Wasser auf dem Planeten unwiederbringlich beseitigen könnte. Solch ein Planet könnte eine dichte Sauerstoffatmosphäre besitzen – aber nicht von Leben erschaffen und anders als alles bislang beobachtete.

“Das könnte möglicherweise der Fall sein, wenn diese Planeten anfänglich mehr Wasser als die Erde, Venus oder Mars besaßen”, sagte er. “Wenn der Planet TRAPPIST-1e während dieser Phase nicht sein gesamtes Wasser verlor, könnte er heute eine Wasserwelt sein und vollständig von einem globalen Ozean bedeckt sein. In diesem Fall könnte er ein Klima besitzen, das mit dem der Erde vergleichbar ist.”

Er sagte, diese Forschung sei mehr mit einem Auge auf der klimatischen Entwicklung durchgeführt worden und weniger, um die Bewohnbarkeit der Planeten zu beurteilen. Er plant zukünftige Forschungen, die sich mehr auf die Modellierung von Wasserplaneten und ihrer Möglichkeiten für Leben konzentrieren.

“Bevor wir dieses Planetensystem kannten, sahen die Schätzungen für die Nachweisbarkeit von Atmosphären auf erdgroßen Planeten viel schwerer aus”, sagte der Co-Autor Jacob Lustig-Yaeger, ein Doktorand an der UW.

Ein so kleiner Stern wird die Signaturen der Gase wie Kohlenstoffdioxid in den planetaren Atmosphären in den Teleskopdaten auffälliger erscheinen lassen. “Unsere Arbeit informiert die Wissenschaftsgemeinschaft darüber, was wir mit dem kommenden James Webb Space Telescope von TRAPPIST-1 erwarten können.”

Lincowskis andere Co-Autorin von der UW ist Victoria Meadows, Professorin für Astronomie und Direktorin des Astrobiology Program an der UW. Meadows ist auch die leitende Wissenschaftlerin am Virtual Planetary Laboratory des Astrobiology Institute der NASA mit Hauptsitz an der UW. Alle Autoren sind Mitarbeiter dieses Forschungslabors.

“Die Prozesse, die die Entwicklung eines terrestrischen Planeten gestalten, sind entscheidend dafür, ob er bewohnbar werden kann oder nicht, ebenso wie unsere Möglichkeiten, potenzielle Anzeichen für Leben zu interpretieren”, sagte Meadows. “Diese Arbeit lässt darauf schließen, dass wir bald in der Lage sein könnten, nach potenziell nachweisbaren Anzeichen für diese Prozesse auf fremden Welten zu suchen.”

TRAPPIST-1 liegt im Sternbild Wassermann und ist nach dem bodenbasierten Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope benannt, der Einrichtung, die im Jahr 2015 erstmals Hinweise auf Planeten um den Stern fand.

Die anderen Co-Autoren sind David Crisp (Jet Propulsion Laboratory am California Institute of Technology), Tyler Robinson (Northern Arizona University), Rodrigo Luger (Flatiron Institute in New York City) und Giada Arney (Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland). Robinson, Luger und Arney erhielten ihre Doktortitel von der UW und waren Mitglieder des UW Astrobiology Program.

Das Team nutzte den Speicherplatz und die Netzwerkinfrastruktur des Hyak-Supercomputersystems an der UW, finanziert vom Student Technology Fee der UW. Die Forschungsarbeit wurde vom Astrobiology Institute der NASA finanziert; Lincowski erhielt auch Unterstützung von der NASA im Rahmen des Earth and Space Science Fellowship Program. Die Arbeit profitierte von der Teilnahme der Forscher am NASA Nexus for Exoplanet System Science (NExSS) research coordination network.

Quelle

(THK)