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Terminatorzonen: Mehr lebensfreundliche Exoplaneten als gedacht

Some exoplanets have one side permanently facing their star while the other side is in perpetual darkness. The ring-shaped border between these permanent day and night regions is called a "termin ...
Darstellung eines Exoplaneten mit permanenter Tag- und Nachtseite und «Terminatorzone» dazwischen. bild: Ana Lobo / UCI

Ausserirdisches Leben könnte in «Terminatorzonen» möglich sein

25.03.2023, 15:4627.03.2023, 04:18
Daniel Huber
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Sind wir allein im All – oder gibt es auch ausserhalb der Erde Leben? Auf der Suche nach einer Antwort auf diese Frage haben Astrophysiker ihr Augenmerk bisher vornehmlich auf von Ozeanen bedeckte Exoplaneten gerichtet. Wasser ist für Leben, wie wir es kennen, eine unabdingbare Voraussetzung. Nun hat ein Forschungsteam der University of California im «Astrophysical Journal» eine Studie veröffentlicht, deren Ergebnisse den Kreis der möglicherweise lebensfreundlichen Planeten wesentlich erweitern.

Das Team um die Physikerin und Astronomin Ana Lobo analysierte die Bedingungen für Leben auf Exoplaneten, die an ihren Stern rotationsgebunden sind. Das heisst, dass die Eigendrehung des Planeten nicht unabhängig von der Umlaufperiode um den Zentralkörper, sondern mit ihr gekoppelt ist. Die Zeit, die der Planet für eine Drehung um seine Achse benötigt, entspricht der Zeit, die er für eine Umkreisung seines Sterns braucht. Zudem ist der Drehsinn der beiden Himmelskörper gleich.

When gravitational forces slow or accelerate the rotation of an astronomical body it can become tidally locked to its parent body (in this example, a planet is tidally locked to its star). Under these ...
Wenn die Schwerkraft die Rotation eines astronomischen Körpers verlangsamt oder beschleunigt, kann er an seinen Mutterkörper gebunden werden (in diesem Beispiel ist ein Planet an seinen Stern gebunden). Unter diesen Bedingungen zeigt der umlaufende Körper immer dieselbe Seite zu seinem Mutterkörper.Grafik: wikimedia/Smurrayinchester
Spin-Orbit-Resonanz
Die Abbremsung der Rotation kann auch in einer sogenannten Spin-Orbit-Resonanz enden. Dies ist der Fall, wenn die Umlaufbahn deutlicher exzentrisch ist. Diese Resonanz drückt sich stets in einem gebrochen-ganzzahligen Verhältnis aus. Ein Beispiel dafür ist die 3:2-Resonanz des Merkurs: Pro Umlauf vollführt der Planet drei halbe Umdrehungen.
Quelle: Wikipedia

Ewiger Tag, ewige Nacht

Ein rotationsgebundener Planet wendet seinem Stern daher stets dieselbe Seite zu – wie es auch beim Mond der Fall ist, der uns immer dieselbe Seite zeigt. Anders als beim Mond führt die gebundene Rotation bei einem Planeten aber dazu, dass auf einer Seite permanent Tag, auf der anderen permanent Nacht herrscht. Dementsprechend sind die Temperaturen: Auf der Tagseite ist es glühend heiss, während die abgewandte Seite in eisiger Dunkelheit verharrt. Falls der Planet eine Atmosphäre besitzt, würde diese Temperaturdifferenz gewaltige Stürme verursachen; allerdings würde dies auch zu einem gewissen Temperaturausgleich führen.

Diese extremen Verhältnisse erscheinen alles andere als lebensfreundlich, und bisher galten rotationsgebundene Planeten denn auch eher nicht als Kandidaten für ausserirdisches Leben. Doch in der schmalen Dämmerungszone entlang der ebenfalls dauerhaften Tag-Nacht-Grenze (in der Astronomie Terminator genannt) zwischen den beiden Hemisphären eines solchen Planeten könnte es Gebiete geben, in denen Leben möglich ist. In diesen ringförmig um den Planeten verlaufenden Terminator-Zonen wäre es weder zu heiss noch zu kalt, und es könnte daher flüssiges Wasser geben.

Erde und Mond beide ungefähr zur Dichotomie (halbe Phase bei Phasenwinkel 90°; Bild aufgenommen von der Raumsonde Galileo [NASA])
https://de.wikipedia.org/wiki/Tag-Nacht-Grenze#/media/Datei:Earth-Moon ...
Die Tag- und Nachtgrenze auf Erde und Mond. Sie ist nicht permanent, sondern wandert.Bild: Wikimedia

«Mit unserer Studie wollen wir die Aufmerksamkeit nun auch auf Planeten mit begrenzten Wasservorkommen lenken, auf denen es zwar keine ausgedehnten Ozeane gibt, die aber Seen oder andere kleinere Bestände an Flüssigwasser haben könnten – und diese Klimata könnten tatsächlich sehr vielversprechend sein», führt Lobo in einer Mitteilung der Universität aus.

Häufige Rote Zwerge

Erdartige Exoplaneten, die in gebundener Rotation ihr Zentralgestirn umkreisen, dürften nicht selten sein. Ihre Muttersterne – sogenannte M-Zwergsterne, also langlebige Zwergsterne der Spektralklasse M und ungleich bekannter unter der Bezeichnung «Rote Zwerge» – sind sehr häufig: Sie machen etwa 70 Prozent aller Sterne aus. An unserem Nachthimmel ist allerdings kein einziger von ihnen mit blossem Auge zu sehen, weil sie zu lichtschwach sind. Das gilt selbst für den der Sonne nächstgelegenen bekannten Stern, Proxima Centauri: Auch dieser Rote Zwerg ist von der Erde aus mit blossem Auge nicht zu sehen. Die Masse dieser Sterne ist überdies eher gering; sie reicht etwa von 0,1 bis 0,8 Sonnenmassen.

Roter Zwerg
Rote Zwerge sind leuchtschwächer und langlebiger als unsere Sonne und haben weniger Masse. Bild: Shutterstock

Rote Zwerge weisen regelmässig Planeten auf. Weil sie aber als zu kühl galten, wurden sie lange nicht als Sterne betrachtet, um die lebensfreundliche Planeten kreisen könnten. Dies hat sich in den letzten Jahren geändert; Astrobiologen glauben nun, dass es in diesen sehr häufigen Sternsystemen durchaus lohnende Ziele gibt. Die habitable Zone – also jener Bereich, in dem es theoretisch flüssiges Wasser geben könnte – um solche Roten Zwerge befindet sich allerdings viel näher am Zentralgestirn als bei unserer Sonne.

Felsplaneten, die sich in dieser habitablen Zone befinden, umkreisen ihren Stern daher viel schneller – in Wochen oder gar Tagen statt Monaten oder Jahren – und in einer wesentlich engeren Umlaufbahn. Dies führt dazu, dass die Mehrzahl von ihnen durch die Gezeitenkräfte ihres Sterns rotationsgebunden ist. Sollten die Ergebnisse der Studie zutreffen, weitet sich aufgrund der hohen Anzahl solcher Planeten der Kreis der möglichen Kandidaten für ausserirdisches Leben schlagartig aus.

Die Planeten im Trappist-1-System, die einen Roten Zwerg umkreisen, sind vermutlich rotationsgebunden. 
https://www.eso.org/public/images/eso1805a/
Die Planeten im Trappist-1-System, die einen Roten Zwerg umkreisen, sind vermutlich rotationsgebunden. Bild: European Southern Observatory/M. Kornmesser

Besser Landplaneten als Ozeanwelten

Die Modellsimulationen des Klimas auf rotationsgebundenen Exoplaneten in der habitablen Zone berechneten Lobo und ihr Team mittels einer Software, die auch für das Klima auf der Erde verwendet wird. Modelliert wurden zum einen Wasserwelten, zum andern von Festland dominierte Planeten. Das Ergebnis überrascht: Ozeanwelten bieten unter solchen Bedingungen nicht wie angenommen die besten Chancen auf eine Terminatorzone, die lebensfreundlich ist.

«Ist ein Planet ursprünglich fast vollständig mit Wasser bedeckt, so würde das Wasser auf der permanenten Tagesseite sehr wahrscheinlich vollständig verdampfen und auf diese Weise den gesamten Planeten in eine dichte Wasserdampfhülle packen», erklärt Lobo. Das würde zu einem sich selbst verstärkenden Treibhauseffekt führen, der wiederum Auswirkungen auf die Terminatorzone hätte, die sich dann ebenfalls zu stark aufheizen würde. Im Ozean selbst könnten die Bedingungen hingegen trotzdem günstig für Leben sein.

Langfristig stabile und lebensfreundliche Klimata in der Dämmerungszone könnten indes auf einem Landplaneten entstehen. «Unser globales Klimamodell zeigt, dass ein solcher Planet glühend heisse Temperaturen am sonnenzugewandten Punkt haben kann und frostige Temperaturen auf der Nachtseite», stellt Lobo fest. «Aber in der Terminatorzone könnte ein gemässigtes Klima herrschen, weil es nur einen geringen atmosphärischen Energietransport gibt.»

Artist's impression of a tidally locked exoplanet.
So könnte ein rotationsgebundener Exoplanet aussehen. Bild: NASA/JPL-Caltech

Dort wären also Seen oder andere Gewässer mit flüssigem Wasser möglich. Das Wasser könnte dabei unter anderem von Gletschern auf der Nachtseite stammen, die in der Nähe der Terminatorzone schmelzen. Landdominierte Planeten weisen gemäss den Simulationen auch stabilere Verhältnisse in der Dämmerungszone auf, da sie weniger anfällig für einen Verlust von Wasserdampf in den Weltraum oder das Ausfrieren von Wasser auf der Nachtseite sind.

Die Autoren betonen, es handle sich um die erste Studie, die zeige, dass Planeten mit gebundener Rotation möglicherweise doch lebensfreundlich sein können. Dies dürfte übertrieben sein; es gab schon früher Untersuchungen, die mit anderen Ansätzen zu diesem Schluss kamen.

Die Erforschung der Klimata erhöhe die Chance, in naher Zukunft einen bewohnbaren Planeten zu finden und richtig zu identifizieren, sagt Lobo. Um potenziell habitable Zonen ausfindig zu machen, beispielsweise mithilfe des James-Webb-Teleskops, müssten Astrobiologen allerdings damit rechnen, dass sich entsprechende Biosignaturen – etwa komplizierte organische Verbindungen – nur in bestimmten Teilen der Atmosphäre finden, nämlich über der Dämmerungszone.

Wie sähe dort das Leben aus?

Wie aber würde Leben auf einem solchen Planeten aussehen? Neben den starken Temperaturkontrasten könnten vor allem die energiereichen Strahlungsausbrüche des Muttersterns – Rote Zwerge sind aktiver als unsere Sonne – Leben erschweren. Diese sogenannten Flares könnten die in engem Orbit umlaufenden Exoplaneten regelrecht rösten und deren Atmosphäre und Magnetfeld, sofern vorhanden, zerstören. Neue Erkenntnisse zeigen aber, dass derartige Flares eher selten auf der Äquatorialebene der Roten Zwerge stattfinden und damit die Planeten verfehlen.

Gleichwohl müssten Lebensformen auf solchen Exoplaneten, wenn sie denn existieren, ziemlich hart im Nehmen sein. Denkbar ist Leben trotzdem – auch auf der Erde gibt es extremophile Organismen, die in äusserst unwirtlichen Verhältnissen prosperieren. Dazu gehören etwa Bakterien, die thermostabile Proteine besitzen und Temperaturen bis zu 80° Celsius überstehen können.

Die Wahrscheinlichkeit, dass sich unter diesen Bedingungen komplexere Organismen oder gar intelligente Lebewesen entwickeln könnten, ist vermutlich geringer als auf der Erde. Begünstigt würde eine solche Entwicklung jedoch durch den Umstand, dass Rote Zwerge bedeutend langlebiger als unsere Sonne sind und daher viel Zeit dafür zur Verfügung stünde. Falls auf einem solchen Planeten tatsächlich eine mit der Menschheit vergleichbare Zivilisation entstehen würde, dürfte sie sich allerdings in einigen zentralen Punkten von der irdischen unterscheiden.

Die womöglich tiefgreifendste Differenz könnte dabei das Konzept der Zeit sein. Sämtliches Leben auf der Erde ist seit den ersten lebenden Zellen vom Wechsel zwischen Tag und Nacht geprägt, der eine Folge der Eigenrotation der Erde ist. Wenn diese natürliche Uhr des Tag-Nacht-Zyklus entfällt, ist es nur schwer vorstellbar, dass sich eine ähnliche Konzeption von Zeit entwickelt – jedenfalls gäbe es nichts Vergleichbares zur circadianen Rhythmik von irdischen Lebewesen.

Dies gilt allerdings vollumfänglich nur für rotationsgebundene Exoplaneten, deren Rotationsachse senkrecht zur Ekliptik steht. Auf ihnen wären in der Tat nur winzige Schwankungen in der Helligkeit spürbar, die durch die veränderliche Distanz zum Mutterstern aufgrund der elliptischen Umlaufbahn verursacht wird. Auf Exoplaneten mit einer geneigten Rotationsachse, wie es auch bei der Erde der Fall ist, gäbe es indes Schwankungen in der Lichtmenge, die an einem bestimmten Ort auf der Tagseite ankommt – analog zu unseren Jahreszeiten, die ebenfalls eine Folge der geneigten Erdachse sind. Gegen die Pole hin gäbe es allenfalls sogar Gebiete, in denen die Sonne im Laufe eines Orbits unter- und wieder aufgehen würde.

This lighthearted NASA space tourism poster features the exoplanets orbiting the red dwarf star TRAPPIST-1. Each of the seven planets that orbit the dim red dwarf star are thought to be tidally locked ...
Das NASA-Poster aus der Serie «Visionen der Zukunft» bewirbt den Weltraumtourismus zum Trappist-1-System. Der Blick von Trappist-1e auf die anderen Planeten des Systems ist spektakulär, doch die Planeten würden nicht so gross erscheinen. Bild: NASA/JPL-Caltech

Interessant ist schliesslich auch die Frage, welchen Erkenntnishorizont eine Zivilisation auf einem solchen Exoplaneten hätte. So scheint es kaum möglich, dass sie die Oberfläche ihres eigenen Planeten nicht ohne gewaltige Schwierigkeiten zu erkunden vermöchte, da riesige Gebiete wohl zu lebensfeindlich dazu wären – man stelle sich etwa eine ewig dunkle Eiswüste vor, die nahezu den halben Planeten umspannt.

Und auch der Blick ins All wäre mit grossen Schwierigkeiten verbunden auf einem Planeten, in dessen bewohnbarer Zone der Mutterstern permanent knapp über dem Horizont hängt und den Himmel in ein ewiges rötlich-gelbes Licht taucht. Der Sternenhimmel wäre nur auf der dunklen Seite des Planeten sichtbar, allenfalls noch ansatzweise in den dunkleren Randgebieten der Terminatorzone, wo die stellare Scheibe des Muttersterns nur noch teilweise über den Horizont ragt. Sichtbar könnten freilich weitere Planeten des Systems sein, die dann aufgrund der geringeren Distanzen grösser erscheinen würden als die Planeten des Sonnensystems auf der Erde (aber nicht so gross wie der Mond).

Sollte eine solche Zivilisation aber dennoch einen Begriff von der Natur der Sterne gewinnen, so könnte es gut sein, dass ihre Astronomen sich den Kopf über die Frage zerbrechen, ob es auf Terra, dem blauen dritten Planeten des Sol-Systems, wohl Leben gibt – oder ob der lebensfeindliche stete Wechsel von Hell und Dunkel dies verunmöglicht.

Mit einem Teleskop zur Sonne

Video: srf/SDA SRF
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quelle: nasa, esa, hubble/william ostling
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