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Neue Klasse lebensfreundlicher Planeten

Wasserwelten mit Wasserstoff-Atmosphäre könnten außerirdisches Leben begünstigen

hyceanische Welt
Wasserwelten mit wasserstoffreicher Atmosphäre könnten gute Bedingungen für außerirdisches Leben bieten. © University of Cambridge

Fremdartig und trotzdem habitabel: Bei der Suche nach außerirdischem Leben könnten wir bei einer neuen Klasse von Exoplaneten eher fündig werden als bei Erdzwillingen – den hyceanischen Welten. Diese Planeten sind größer und schwerer als die Erde, haben einen weltumspannenden Ozean und dichte Wasserstoffatmosphären, wie Astronomen berichten. Das Entscheidende: Die habitable Zone solcher Welten wäre weit größer als für Gesteinsplaneten – und Biosignaturen wären leichter nachweisbar.

Wenn es um die Suche nach außerirdischem Leben geht, haben Astronomen meist erdähnliche Gesteinsplaneten im Visier – Welten, die unserer Erde möglichst ähnlich sind. Als habitable Zone für sie gilt der Bereich, in dem die Einstrahlung ihrer Sonne milde Temperaturen und flüssiges Wasser ermöglicht. Allerdings hat die Lebensfreundlichkeit enge Grenzen: Ist der Sternenwind zu stark, verliert der Planet seine Atmosphäre. Ist der Stern zu aktiv, wie bei vielen Roten Zwergen der Fall, drohen tödliche Strahlenschübe.

K2-18b
Die nahe Supererde K2-18b könnte eine hyceanische Wasserwelt sein.© University of Cambridge

Massereiche Wasserwelten

Doch es könnte noch eine weitere Klasse von Exoplaneten mit guten Chancen auf außerirdisches Leben geben, wie nun Nikku Madhusudhan und sein Team von der University of Cambridge berichten. Dabei handelt es sich sogenannte hyceanische Welten mit einem globalen Ozean und einer wasserstoffreichen Atmosphäre – ähnlich wie man es bei der 124 Lichtjahre entfernten Supererde K2-18b annimmt. Sie hat rund die achtfache Erdmasse und ist etwa doppelt so groß wie die Erde.

„Hyceanische Welten können bis zu 2,6 Erdradien groß sein und eine Masse von zehn Erdmassen erreichen“, berichten die Astronomen. Bisher galt der atmosphärische Druck auf solchen Mini-Neptunen und Supererden oft als zu hoch für Leben. Doch bei hyceanischen Wasserwelten ist anders: Ihr Ozean wirkt als Druck- und Klimapuffer und bietet dadurch auch unter diesen Bedingungen habitable Bedingungen, wie das Team erklärt.

„Es ist faszinierend, dass lebensfreundliche Bedingungen sogar auf Exoplaneten existieren können, die so anders sind als die Erde“, sagt Madhusudhans Kollegin Anjali Piette.

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Robust dank wasserstoffreicher Atmosphäre

Typischerweise besitzt ein hyceanischer Planet einen vierschichtigen Aufbau, wie Madhusudhan und seine Kollegen erklären. Er besteht aus einem inneren Eisenkern, der rund zehn Prozent Massenanteil ausmacht, einem Gesteinsmantel, einer zehn bis 90 Prozent der Masse einnehmenden Wasserschicht und einer wasserstoffreichen Atmosphäre. Diese spielt eine wichtige Rolle und unterscheidet die hyceanischen Planeten von „normalen“ Wasserwelten.

Denn schon vor einiger Zeit haben Astronomen ermittelt, dass reine Wasserwelten ein Problem mit dem Kohlenstoffkreislauf bekommen können. Weil es im Extremfall sein kann, dass sich am Grund ihrer Ozeane eine Art Hochdruckeis bildet, fehlt das Sediment als Kohlenstoff-Puffer. Dadurch können Schwankungen des atmosphärischen CO2-Gehalts schlechter abgefangen werden – es droht Vereisung oder aber ein galoppierender Treibhauseffekt. Ist der Wasserstoffanteil in der Gashülle aber hoch genug, ist diese Gefahr geringer.

Lebensfreundlich trotz extremer Temperaturen

Das außerirdische Leben auf diesen Exoplaneten spielt sich demnach komplett im Wasser ab – ähnlich wie auf der Urerde zu Beginn der Evolution. Die irdische Lebenswelt demonstriert zudem, dass marine Organismen selbst bei hohem Druck, Dunkelheit oder großer Hitze gedeihen. Nach Berechnungen der Astronomen wären die Ozeane auf hyceanischen Planeten bei Temperaturen von minus 33 bis plus 150 Grad potenziell lebensfreundlich.

Noch extremer könnte es sogar auf sogenannten „dunklen hyceanischen Planeten“ sein: Als solche bezeichnen Madhusudhan und sein Team Wasserwelten in gebundener Rotation – sie kehren ihrem Stern immer die gleiche Seite zu. Ihre Tagseite wäre dann zwar zu heiß für Leben, der Ozean auf ihrer Nachtseite könnte aber lebensfreundliche Bedingungen bieten. „Dadurch könnten diese dunklen hyceanischen Planeten sogar bei einer globalen Mitteltemperatur von bis zu 230 Grad noch potenziell habitabel sein“, so die Forscher.

Viele größere habitable Zone

Das bedeutet auch, dass die habitable Zone für hyceanische Welten größer ist als für Gesteinsplaneten um denselben Stern. Weil Strahlenausbrüche vom Ozean abgefangen werden und die Wasserstoffatmosphäre nicht zum galoppierenden Treibhauseffekt neigt, kann die Innengrenze der habitablen Zone näher am Stern liegen. Im Modell ermittelten die Forscher um Rote Zwerge einen Minimalabstand von nur 0,006 bis 0,03 astronomischen Einheiten. Ein hyceanischer Planet könnte einem solchen Stern demnach bis auf 900.000 Kilometer nahekommen und trotzdem noch lebensfreundlich sein.

Noch flexibler ist die Außengrenze der habitablen Zone: Herrscht auf dem Planeten ein relativ hoher Druck, halten Gashülle und Ozean ihn selbst bei schwacher Einstrahlung warm. „Der Außenrand der habitablen Zone kann daher je nach Sternentyp orbitale Distanzen von zwei bis 100 astronomischen Einheiten erreichen“, so die Astronomen. Zum Vergleich: In unserem Sonnensystem entspräche dies dem dreifachen Abstand des Neptun zur Sonne.

Bessere Chancen für die Suche nach Leben

All dies bedeutet, dass es im Weltall weit mehr potenziell lebensfreundliche Wasserwelten als Erdzwillinge geben könnte. Denn obwohl Planeten dieser Größenkategorie in unserem Sonnensystem fehlen, kommen sie um andere Sterne sehr häufig vor. Hinzu kommt: Weil diese Planeten größer sind als Erdzwillinge, können wir ihre Atmosphären und Oberflächen besser mit Teleskopen untersuchen.

„Hyceanische Welten eröffnen uns damit eine ganz neue Chance für die Suche nach Leben auf anderen Planeten“, sagt Madhusudhan. „Bei ihnen könnten wir leichter Biosignaturen für Leben finden.“ Zu solchen chemischen Indikatoren für Leben gehören Sauerstoff, Ozon, Methan oder Stickoxide in der Gashülle, aber auch Moleküle wie Methylchlorid oder Dimethylsulfid. Bisher sind die Teleskope nicht leistungsfähig genug, um die Spektren dieser Moleküle bei erdähnlichen Exoplaneten nachzuweisen.

Doch die dichten Atmosphären, höheren Temperaturen und größeren Durchmesser der hyceanischen Welten erleichtern die spektrale Detektion solcher Biosignaturen. Die Astronomen schätzen, dass einige der zwischen 35 und 150 Lichtjahre entfernten Planeten dieser Klasse schon mit dem Ende 2021 startenden James-Webb-Weltraumteleskop der NASA beobachtbar wären. Zu diesen Kandidaten gehört auch die nahe Wasserwelt K2-18b. (The Astrophysical Journal, 2021; doi: 10.3847/1538-4357/abfd9c)

Quelle: University of Cambridge

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