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Exoplaneten

Sind Wasserwelten häufiger als gedacht?

Exoplaneten mit Atmosphären aus Wasserstoff und Helium könnten Temperaturen und Druck aufweisen, die Wasser in flüssiger Form ermöglichen. © (CC BY-NC-SA 4.0) - Thibaut Roger - Universität Bern - Universität Zürich.

Typisch irdische Merkmale haben unsere Welt mit ihrem blauen Schatz ausgestattet, könnte man meinen. Doch nun zeigt eine Studie: Flüssiges Wasser könnte auch auf Planeten mit einer urtümlichen Wasserstoff-Helium-Atmosphäre langfristig vorkommen, geht aus einer Studie hervor. Den Modellsimulationen zufolge kann sie unter bestimmten Umständen einen Treibhauseffekt erzeugen, der über Jahrmilliarden hinweg ein mildes Klima ermöglicht. Die Studie legt damit nahe, dass die bisherige Suche nach potenziell lebensfreundlichen Welten im All zu eng gefasst ist, sagen die Wissenschaftler.

Auf unserem Planeten avancierte es zum Lebenselixier: Flüssiges Wasser ist die Voraussetzung für die Existenz aller irdischen Organismen und man geht davon aus, dass ihre Entwicklungsgeschichte in den Ozeanen begann. Diese Bedeutung prägt deshalb auch das Forschungsfeld der Astrobiologie: Bei der Suche nach extraterrestrischem Leben spielt die Frage nach dem Potenzial für flüssiges Wasser auf fernen Himmelskörpern eine wichtige Rolle. Deshalb stehen besonders die Exoplaneten im Visier der Astronomen, die unserem Planeten ähneln. „Einer der Gründe, warum Wasser auf der Erde flüssig sein kann, ist dabei die Atmosphäre“, sagt Co-Autorin Ravit Helled von der Universität Zürich. „Mit ihrem natürlichen Treibhauseffekt fängt sie genau die richtige Menge an Wärme ein, um die notwendigen Bedingungen für Ozeane, Flüsse und Regen zu schaffen“, erklärt die Wissenschaftlerin.

Der Treibhauseffekt beruht dabei vor allem auf Gasen wie Kohlendioxid oder Methan, wie aus der menschlich verursachten Zunahme dieser Substanzen in der Atmosphäre allgemein bekannt ist. Doch viele Exoplaneten könnten andere atmosphärische Zusammensetzungen besitzen und auch die Erde hat in ihrer Frühzeit noch nicht ihre heutige Gashülle besessen. „Als sich unser Planet aus kosmischem Gas und Staub gebildet hat, sammelte er eine Atmosphäre an, die hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium bestand – eine so genannte Uratmosphäre“, erklärt Helled. Im Laufe ihrer Entwicklung verlor die Erde jedoch diese ursprüngliche Atmosphäre und entwickelte eine neue, die einen optimalen Treibhauseffekt für die Existenz von flüssigem Wasser an der Oberfläche ermöglichte.

Exotische Treibhaus-Bedingungen im Visier

Im Rahmen ihrer Studie sind Helled und ihre Kollegen nun der Frage nachgegangen, inwieweit massereichere Gesteinsplaneten – sogenannte Supererden – besonders umfangreiche Uratmosphären angesammelt haben könnten, die ihnen erhalten blieben und für milde Bedingungen sorgten. „Auch solche massiven Uratmosphären könnten einen Treibhauseffekt hervorrufen – ähnlich wie die heutige Erdatmosphäre. Wir wollten deshalb herausfinden, ob diese Atmosphären die notwendigen Bedingungen für flüssiges Wasser schaffen können“, sagt Helled. Dabei stand auch ein weiterer wichtiger Faktor im Fokus: Die mögliche Existenzzeit solcher Bedingungen, die für das Entwicklungspotenzial von Leben wichtig erscheint.

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Um ihren Forschungsfragen nachzugehen, simulierten die Forscher die Entwicklung von vielen Planeten in unterschiedlichen Konfigurationen und Merkmalskombinationen über Milliarden von Jahren hinweg. Dabei berücksichtigten sie neben den Eigenschaften der Planetenatmosphären auch die Intensität der Strahlung, die sie von ihren Sternen erhalten. Ein weiterer Faktor war die innere Wärme, die Planeten nach außen abgeben können. Denn während diese geothermische Energie für die Bedingungen auf der Erdoberfläche nur eine geringe Rolle spielt, könnte sie auf Planeten mit massiven Uratmosphären einen erheblichen Beitrag zur Erwärmung leisten, erklären die Wissenschaftler.

Mehr Potenzial bei der Suche nach Leben im All

Wie sie berichten, ging aus ihren Simulationen hervor: Bei vielen der simulierten Bedingungs-Kombinationen ging die ursprüngliche Atmosphäre durch die intensive Strahlung naher Sterne zwar verloren. Doch in einigen Fällen, blieb die Wasserstoff-Helium-Atmosphäre durchaus langfristig erhalten und konnte durch ihre vergleichsweise hohe Dichte für einen günstigen Treibhauseffekt sorgen: Nicht zu viel, damit das Wasser nicht verdampft, und nicht zu wenig, damit es nicht komplett gefriert. „Es können unter bestimmten Umständen Bedingungen entstehen, die eine Existenz von flüssigem Wasser ermöglichen“, resümiert Erstautorin Marit Mol Lous von der Universität Bern. Auch was den Faktor innere Wärme betrifft, zeichnete sich ab: „In simulierten Fällen, in denen genügend geothermische Wärme die Oberfläche erreicht, ist nicht einmal intensive Strahlung von einem Stern nötig, damit Bedingungen an der Oberfläche herrschen, die die Existenz von flüssigem Wasser erlauben“, sagt Mol Lous.

„Am wichtigsten ist möglicherweise, dass unsere Ergebnisse zeigen, dass in einigen Fällen die günstigen Bedingungen über sehr lange Zeiträume hinweg anhalten können – bis zu mehreren zehn Milliarden Jahren“, betont die Forscherin. Ihr Kollege Christoph Mordasini von der Universität Bern führt dazu weiter aus: „Da das Vorhandensein von flüssigem Wasser eine wahrscheinliche Voraussetzung für Leben ist und das Leben auf der Erde wohl viele Millionen Jahre gebraucht hat, um sich zu entwickeln, könnte dies den Horizont für die Suche nach außerirdischen Lebensformen erheblich erweitern. Nach unseren Ergebnissen könnte es sich sogar auf sogenannten freischwebenden Planeten, die nicht um einen Stern kreisen, entwickeln“, so Mordasini.

Bei der Interpretation der Studienergebnisse ist allerdings dennoch Zurückhaltung angesagt, betonen die Forscher. Denn wie häufig die theoretisch passenden Atmosphären und Konstellationen bei Exoplaneten im All tatsächlich vorkommen, bleibt unklar, und ebenso, wie wahrscheinlich die Entstehung von Leben ist. „Das ist eine Frage für die Astrobiologie. Mit unserer Arbeit haben wir jedoch gezeigt, dass unsere erdzentrische Vorstellung von einem lebensfreundlichen Planeten möglicherweise zu eng gefasst ist“, sagt Mordasini abschließend.

Quelle: Universität Bern, Fachartikel: Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-022-01699-8

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