Manche Exo-Eisplaneten könnten bewohnbare Ozeane und Geysire besitzen

Cassini-Aufnahme des Saturnmondes Enceladus. Der Schatten von Enceladus auf den unteren Bereichen der Jets ist deutlich sichtbar. (Credits: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute)
Cassini-Aufnahme des Saturnmondes Enceladus. Der Schatten von Enceladus auf den unteren Bereichen der Jets ist deutlich sichtbar. (Credits: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute)

Eine NASA-Studie erweitert die Suche nach Leben jenseits unseres Sonnensystems, indem sie darauf hindeutet, dass 17 Exoplaneten (Planeten außerhalb unseres Sonnensystems) unter ihren Eispanzern Ozeane aus flüssigem Wasser besitzen könnten – eine wichtige Voraussetzung für Leben. Wasser aus diesen Ozeanen könnte gelegentlich in Form von Geysiren durch die Eiskruste dringen. Das Forschungsteam berechnete die Höhe der Geysiraktivität auf diesen Exoplaneten – das erste Mal, das diese Schätzungen gemacht wurden. Die Wissenschaftler identifizierten zwei ausreichend nahe Exoplaneten, auf denen Anzeichen für solche Eruptionen mit Teleskopen beobachtet werden könnten.

Die Suche nach Leben anderswo im Universum konzentriert sich typischerweise auf Exoplaneten, die in der habitablen Zone eines Sterns liegen. Das ist eine Entfernung, wo die Temperaturen flüssiges Wasser auf ihren Oberflächen erlauben. Allerdings kann ein Exoplanet, der zu weit entfernt und zu kalt ist, trotzdem einen Ozean unter seiner Oberfläche besitzen, sofern er in seinem Inneren genug Wärme produziert. Das ist in unserem Sonnensystem der Fall, wo Europa (ein Jupitermond) und Enceladus (ein Saturnmond) Ozeane unter ihren Oberflächen besitzen, weil sie eine gezeitenbedingte Aufheizung durch das Gravitationsfeld ihres jeweiligen Planeten und ihrer Nachbarmonde erfahren.

Diese Ozeane unter der Oberfläche könnten Leben beherbergen, wenn sie andere Voraussetzungen wie eine Energiequelle mitbringen, sowie Elemente und Substanzen, die in biologischen Molekülen genutzt werden. Auf der Erde gedeihen am Meeresboden in der Nähe hydrothermaler Schlote komplette Ökosysteme in völliger Dunkelheit, weil die Schlote Energie und Nährstoffe liefern.

“Unsere Analysen sagen voraus, dass diese 17 Welten eisbedeckte Oberflächen haben, aber genug innere Wärme aus dem Zerfall radioaktiver Elemente und aus Gezeitenkräften ihres Zentralsterns generieren, um Ozeane unter ihren Oberflächen zu erhalten”, sagte Dr. Lynnae Quick vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland). “Dank der Intensität der inneren Wärme könnten alle Planeten in unserer Studie auch kryovulkanische Eruptionen in der Form geysirartiger Fahnen zeigen.” Quick ist die Hauptautorin einer Studie, die am 4. Oktober 2023 im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde.

Das Team betrachtete die Bedingungen auf 17 bestätigten Exoplaneten, die etwa Erdgröße haben, aber weniger dicht sind, was dafür spricht, dass sie große Mengen Eis und Wasser anstelle dichteren Gesteins enthalten. Obwohl die genauen Zusammensetzungen der Planeten unbekannt bleiben, lassen erste Schätzungen ihrer Oberflächentemperaturen anhand früherer Untersuchungen darauf schließen, dass sie viel kälter als die Erde sind. Das deutet darauf hin, dass ihre Oberflächen mit Eis bedeckt sein könnten.

Die Studie verbesserte die Schätzungen der Oberflächentemperatur auf jedem Exoplaneten durch die Neuberechnung auf Grundlage der bekannten Oberflächenhelligkeit und anderer Eigenschaften mit Europa und Enceladus als Modellen. Das Team schätzte auch die gesamte innere Erwärmung in diesen Exoplaneten anhand der Form der Umlaufbahn jedes Exoplaneten, um die gezeitenbedingte Wärmeproduktion zu ermitteln und sie dem Wert hinzuzufügen, der aus dem Zerfall radioaktiver Elemente erwartet wird.

Die Oberflächentemperaturen und die Schätzungen der gesamten Erwärmungen ergaben die Dicke des Eispanzers auf jedem Exoplaneten, weil sich die Ozeane abkühlen und an ihren Oberflächen gefrieren, während sie von unten erwärmt werden. Schließlich verglichen sie diese Werte mit den Werten Europas und verwendeten die geschätzte Geysiraktivität auf Europa als konservative Basis für die Schätzungen der Geysiraktivitäten auf den Exoplaneten.

Sie berechnen, dass die Oberflächentemperaturen um bis zu 16 Grad Celsius kälter sind als frühere Schätzungen. Die geschätzte Dicke des Eispanzers erstreckte sich von 58 Metern für Proxima Centauri b über 1,6 Kilometer für LHS 1140 b bis 38,6 Kilometer für MOA 2007 BLG 192Lb, verglichen mit Europas geschätztem Durchschnitt von fast 29 Kilometern.

Die geschätzte Geysiraktivität erstreckte sich von ca. 8Kg/s für Kepler 441b über 290.000Kg/s für LHS 1140 b bis 6.000.000Kg/s für Proxima Centauri b, verglichen mit Europas Wert um 2.000Kg/s).

“Weil unsere Modelle vorhersagen, dass die Ozeane auf Proxima Centauri b und LHS 1140 b relativ nahe an der Oberfläche liegen könnten und die Rate ihrer Geysiraktivität hunderte bis tausende Male höher sein könnte als auf Europa, könnten Teleskope höchstwahrscheinlich geologische Aktivitäten auf diesen Planeten registrieren”, sagte Quick, die die Studie am 12. Dezember 2023 auf dem Treffen der American Geophysical Union in San Francisco (Kalifornien) vorstellte.

Diese Aktivität könnte beobachtet werden, wenn der Exoplanet vor seinem Stern vorbeizieht. Bestimmte Farben des Sternlichts könnten durch Wasserdampf der Geysire geschwächt oder blockiert werden. “Sporadische Nachweise von Wasserdampf, bei denen sich die Menge des registrierten Wasserdampfs mit der Zeit verändert, würden auf die Präsenz kryovulkanischer Eruptionen hinweisen”, sagte Quick. Weil die Elemente und Verbindungen Licht bei bestimmten “Signaturfarben” absorbieren, könnten Wissenschaftler anhand der Analyse des Sternlichts die Zusammensetzung des Geysirs feststellen und das Potenzial zur Bewohnbarkeit des Exoplaneten bewerten.

Bei Planeten wie Proxima Centauri b, die aus unserer Perspektive nicht vor ihrem Stern vorbeiziehen, könnte die Geysiraktivität mit leistungsfähigen Teleskopen nachgewiesen werden, die in der Lage sind, Licht zu messen, das der Exoplanet während der Umkreisung seines Sterns reflektiert. Die Geysire würden Eisteilchen auf der Oberfläche des Exoplaneten ablagern, was den Exoplaneten sehr hell erscheinen ließe.

Diese Studie wurde durch das Habitable Worlds Program der NASA, das Astrobiology Program der University of Washington und das Virtual Planetary Laboratory (Mitglied der NASA Nexus for Exoplanet System Science Coordination Group) finanziert.

Quelle

(THK)

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