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Saturday, December 3, 2022

Die vier neuen Welten des TRAPPIST-1 und der große Konjunktiv in der Astronomie

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In einer Pressekonferenz hat die NASA angekündigt, eine wichtige astrobiologische Entdeckung verkünden zu können. Nach reichlich Spekulation wissen wir nun mehr: Es geht um gleich vier neue Exoplaneten, die eventuell geeignete Bedingungen für Leben bieten könnten. Was wir wissen und was (noch) nicht, zusammengefasst.

Trappist, damit verbindet man bisher vor allem belgisches Bier, doch das könnte sich nun durch eine spektakuläre Entdeckung der NASA um den ultrakühlen Zwergstern TRAPPIST-1 ändern. 

Astrobiologische Entdeckung

Die NASA gibt nicht häufig Pressekonferenzen. Obwohl die Öffentlichkeitsarbeit in den letzten Jahren eine immer größere Rolle in der Wissenschaft bekommt, schaffen es viele Entdeckungen kaum an die Öffentlichkeit. Und wenn die NASA dann einmal eine Pressekonferenz ankündigt, dann muss schon irgendwas Bedeutendes passiert sein. Das und der mysteriöse Wortlaut der Ankündigung fachten in den letzten Tagen Spekulationen an:

“NASA will hold a news conference at 2 p.m. EST on Thursday, Dec. 2, to discuss an astrobiology finding that will impact the search for evidence of extraterrestrial life. Astrobiology is the study of the origin, evolution, distribution and future of life in the universe.”

Soso, eine astrobiologische Entdeckung, die gravierende Auswirkungen auf unsere Vorstellung von Leben im Universum haben wird. Hat man vielleicht doch extraterrestrisches Leben gefunden? Viele prädestinierte Nachrichtenmagazine wussten natürlich genau, was los war:

„Hat die Nasa außerirdisches Leben entdeckt?“

„Wenn ich raten sollte, was die Nasa verkünden wird, dann würde ich sagen, sie haben Arsen auf dem Titan entdeckt und vielleicht sogar chemische Hinweise auf Bakterien, die es für Photosynthese nutzen.“

„NASA-Entdeckung: Auf diesen Planeten kann Leben existieren!“

Falsch, falsch und falsch.

Natürlich wusste auch ich nicht, was die NASA bekanntgeben würde (das müsst ihr mir jetzt einfach glauben…), doch viele der Schlagzeilen ließen sich im Vorhinein eigentlich bereits nahezu ausschließen. Beispielsweise ist die Technik, mit der wir eine zweite Erde eindeutig identifizieren können, noch gar nicht vorhanden. Das wird erst in wenigen Jahren mit dem James Webb Space Telescope möglich sein, denn erst damit werden wir in die Atmosphären erdgroßer Exoplaneten schauen können und sehen, ob ihre Zusammensetzung für Leben geeignet ist.

Aktuell können wir nur sagen, ob die Entfernung zum Stern eine lebensfreundliche Atmosphäre ermöglichen würde, daraus können wir jedoch nicht schließen, ob es eine gibt. Und selbst aus einer erdähnlichen Atmosphäre könnten wir noch nicht direkt auf die Existenz außerirdischen Lebens schließen, dafür müssten wir Elemente finden, die nur durch biologische Aktivitäten entstehen, etwa Sauerstoff.

Selbst, wenn man vielleicht im Sonnensystem primitives Leben gefunden hätte, wäre eine Pressekonferenz in diesem Ausmaß wohl kaum die Form, damit umzugehen. Den meisten ist vermutlich nicht klar, was für ein einmaliger Einschnitt auf allen Ebenen dies wäre, in diesem Fall gäbe es sicherlich eine ganz andere Form von Bekanntgabe. Vor allem eingeladen zur Konferenz waren Expert*innen für Exoplaneten, daher konnte man davon ausgehen, dass vermutlich neue potentiell erdähnliche Exoplaneten entdeckt hat. Und so war es dann auch.

Sieben Planeten um ultrakühlen Zwerg

Um einen Stern im Sternbild Wassermann wurden vier neue Planeten entdeckt. Der Stern heißt TRAPPIST-1 und eigentlich ist es ein typischer unauffälliger, ich würde fast sagen langweiliger Stern. Er ist ein sogenannter roter ultrakühler Zwerg, also einer der kleinsten möglichen Sterne. Er ist nur wenig größer als der Planet Jupiter und direkt an der Massengrenze zu sogenannte Braunen Zwergen, also der Zwischenstufe zwischen Stern und Planet. In älteren Publikationen wurde er sogar als solcher verzeichnet.

Solche Sterne strahlen viele Billionen Jahre und sind daher sehr häufig, etwa 80% der Sterne in der Milchstraße sind Rote Zwergsterne. Drei Gesteinsplaneten waren um TRAPPIST-1 bereits bekannt, TRAPPIST-1b, TRAPPIST1-c und TRAPPIST-1d. Sie wurden 2016 durch die Transitmethode entdeckt, man hat also die Helligkeitsschwankungen des Sterns gemessen, während die Planeten vor dem Stern vorbeizogen und dabei einen Teil seines Lichtes abschirmten. Weil TRAPPIST-1 so schwach leuchtet, sind Planeten dort recht einfach zu entdecken.

Die Sonne, Jupiter und TRAPPIST-1 im Vergleich:

 SonneJupiterTRAPPIST-1
Alter4,603 Milliarden Jahre4,503 Milliarden Jahre7,605 Milliarden Jahre
Temperatur5.505°C-108°C2.277°C
ObjektklasseGelber ZwergGasplanetRoter Zwerg
Masse1,989 · 1030 kg1,899 · 1027 kg1,77 · 1029 kg
Radius696.340 km69.911 km84.180 km
Bekannte Trabanten8807

Von diesen drei Planeten sind zwei sicherlich zu heiß für Leben wie wir es kennen, es sind Planeten, die teils noch viel heißer sind als die Venus, TRAPPIST-1b könnte Temperaturen von bis zu 1.750°C haben und TRAPPIST-1c von einer dicken Kohlendioxidatmosphäre umgeben sein. TRAPPIST-1d umkreist seinen Stern etwas weiter entfernt, am inneren Rand der bewohnbaren Zone. Studien deuten aber auch hier darauf hin, dass es sich aufgrund einer dichten Atmosphäre, die einen starken Treibhauseffekt verursacht, um eine verbrannte Steinwüste handelt. Das interessiert uns nicht wirklich.

Vier neue erdähnliche Planeten entdeckt

Die nun bekanntgegebene Entdeckung betrifft vier weitere Planeten um TRAPPIST-1, die heißen dementsprechend TRAPPIST-1e, TRAPPIST-1f, TRAPPIST-1g und TRAPPIST-1h. Sie umkreisen den Stern weiter außen als die ersten drei Planeten und könnten dementsprechend auch geringere Temperaturen aufweisen. Drei von ihnen befinden sich in der sogenannten habitablen Zone, also im Bereich, in dem theoretisch Temperaturen möglich wären, die flüssiges Wasser ermöglichen könnten. Das sind viele Konjunktive, daher ist Vorsicht geboten.

„Erdähnlich“ bedeutet erstmal nicht viel, denn erdähnlich bezieht sich in der Astronomie lediglich auf die Größe. Erdähnlich sind alle Gesteinsplaneten mit einem Kern, einem Mantel und einer Kruste, also einem ähnlichen Aufbau wie die Erde. Die Gluthölle Venus, die triste Gesteinskugel Merkur und die Eiswüste Mars sind also ebenfalls „erdähnlich“. Alle vier neu entdeckten Planeten um TRAPPIST-1 sind auch erdähnlich, es handelt sich also um Gesteinsplaneten.

Erdähnlich ≠ potentiell habitabel ≠ bewohnbar

Erdähnlich sind sie alle, denn wenn man bei dem Transit schaut, wie viel Licht verdeckt wird kann man dabei auf die Größe der Planeten schließen und kam bei den vier neuen Planeten auf erdähnliche Größen. Potentiell habitabel sind drei von ihnen, denn wenn man sieht, in welchem Abstand ein Planet seinen Stern verdunkelt, kann man daraus auf seine Umlaufzeit und seinen Abstand schließen.

Doch die Nähe zum Stern ist nur eine von vielen Parametern, die einen bewohnbaren Planeten ausmacht. Die Venus zum Beispiel liegt in unserem Sonnensystem am inneren Rand der habitablen Zone. Doch ihre Atmosphäre ist so dicht, dass sie die Wärme in hohem Maße festhält und ein Treibhauseffekt den Planeten deshalb unbewohnbar machte.

Der Mars befindet sich am äußeren Rand der habitablen Zone, doch er ist zu klein für ein Magnetfeld und eine Atmosphäre, welche die Wärme festhalten kann und ist daher zu kalt. Nur bei der Erde trifft ein komplexes Netz an Bedingungen zu: Der richtige Abstand zur Sonne, die richtige Größe, das Verschontbleiben von großen Katastrophen, ein großer Mond, ein vor Asteroiden schützender Gasplanet im Sonnensystem, ein ruhiger, langlebiger Stern, Plattentektonik, ein starkes Magnetfeld, eine kohlendioxidhaltige Atmosphäre, etc.

Doch es ist noch etwas komplizierter, denn gibt es Ausnahmen: Der Jupitermond Europa ist bewohnbar, obwohl er weit außerhalb der habitablen Zone liegt. Ähnlich könnte es auf dem äußersten neu entdeckten Planeten TRAPPIST-1h aussehen, ein Ozean unter der Eisdecke wäre möglich. Doch ob die Planeten von TRAPPIST-1 nur potentiell habitabel oder auch wirklich bewohnbar sind, darüber kann man derzeit lediglich spekulieren.

TRAPPIST-1f und g womöglich Wasserwelten

Da die Planeten so nahe aneinander kreisen, befinden sie sich in sogenannten Bahnresonanzen. Das bedeutet, die Umlaufzeiten vieler Planeten stehen in ganzzahligen Verhältnissen zueinander. Das sorgt dafür, dass sie sich immer am selben Bahnpunkt am nächsten stehen und sich dort gravitativ stören. Aus dem Ausmaß der Störung ließen sich grob die Planetenmassen und somit die Dichte berechnen. Dabei fielen vor allem TRAPPIST-1f und TRAPPIST-1g mit besonders geringen Dichten auf. Beide Planeten befinden sich im äußeren Bereich der habitablen Zone.

Das lässt sich durch einen großen Wassergehalt erklären. Es wird daher spekuliert, dass es sich um Ozeanplaneten handeln könnte. Das sind Planeten, die vollkommen von einem globalen Ozean umgeben sind. Diese kann man jedoch nicht mit den irdischen Meeren vergleichen, denn sie könnten eine Tiefe von mehreren hundert Kilometern haben. An ihrem Grund würde ein so enormer Druck herrschen, dass das Wasser exotische Formen annimmt, es könnte durch den Druck zu heißem, sogenanntem amorphem Eis komprimiert werden.

Genau das könnte sie allerdings auch weniger lebensfreundlich machen, denn das amorphe Eis könnte sich am Meeresboden ablagern. Dann würde es wie eine Barriere den Austausch von Kohlendioxid zwischen Wasser und Sedimenten und damit den für ein stabiles Klima wichtigen Karbonat-Silikat-Zyklus blockieren. Ob das Klima auf TRAPPIST-1f und g dadurch gekippt ist, das müssen weitere Untersuchungen zeigen. Zumindest zeigt diese Frage, wie komplex die Frage nach der Lebensfreundlichkeit von Planeten ist und weshalb man sich mit voreiligen Aussagen zurückhalten sollte.

TRAPPIST-1e könnte bewohnbar sein

Der vielversprechendste Kandidat ist jedoch TRAPPIST-1e. Der Planet befindet sich in der habitablen Zone, gleicht der Erde in Masse, Radius und Dichte und hat vermutlich eine Atmosphäre, die zumindest in der Dichte der Erdatmosphäre gleicht. Die Wahrscheinlichkeit, dass es flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche gibt, ist somit recht hoch. Die NASA hat sogar ein Poster mit einer Reiseempfehlung herausgegeben:

Planet Hop from TRAPPIST-1e: Voted best „hab zone“ vacation within 12 parsecs of earth

Nun ja, ich weiß noch nicht, ob ich meinen Urlaub auf TRAPPIST-1e verbringen würde, schließlich gibt es noch immer viele Unbekannte und auch einige Probleme.

Ewiger Tag und ewige Nacht

Das System von TRAPPIST-1 ist ein regelrechtes Miniatursystem, es ist vergleichbar mit dem Jupiter und seinen Monden. Das gesamte Planetensystem von TRAPPIST-1 würde gemütlich in die Bahn des innersten Planeten Merkur passen. Diese Nähe führt nicht nur zu Bahnresonanzen, denn auch die Planeten sind dem Stern extrem nahe – am Himmel der Planeten erscheint TRAPPIST-1 dreimal größer als die Sonne am irdischen Himmel. So nah müssen die Planeten ihrem kühlen Stern kommen, um überhaupt genug Wärme empfangen zu können.

Doch diese Nähe führt höchstwahrscheinlich zu einer gebundenen Rotation. Wenn ein Körper einen anderen Körper in großer Nähe umkreist, gleicht sich seine Rotationsperiode um sich selbst mit der Rotationsperiode um den größeren Körper an. Dadurch zeigt unser Mond der Erde beispielsweise immer dieselbe Seite, die Rückseite bleibt verborgen. Und so wenden auch die Planeten von TRAPPIST-1 ihrem Stern stets dieselbe Seite zu.

Auf der einen Halbkugel ist somit immer Tag, auf der anderen Seite herrscht ewige Nacht – nur auf einem schmalen Streifen der Dämmerung herrschen milde Bedingungen. Natürlich ist „ewiger Tag“ etwas übertrieben, schließlich ist es durch die geringe Leuchtkraft von TRAPPIST-1 selbst mittags nur so hell wie auf der Erde am Abend. Die gebundene Rotation allerdings kann ein Problem sein, auf einer Seite könnte es zu heiß, auf der anderen zu kalt sein. Nur ein kleiner Streifen wäre bewohnbar. Doch es gibt eine Hoffnung.

Planetare Migration könnte Atmosphäre bringen

Migration ist auch in der Astronomie wichtig. Das Phänomen beschreibt die Wanderung von Planeten innerhalb ihres Sonnensystems. Es ist recht unwahrscheinlich, dass die Planeten von TRAPPIST-1 in dieser Distanz zu ihrem Stern entstanden sind. Planeten entstehen schließlich in dicken Staubscheiben um ihre Sterne und durch die Reibung mit dieser Scheibe verlieren sie an Bahnenergie und wandern nach innen, bis sich die Scheibe weitgehend aufgelöst hat.

Das TRAPPIST-1-System in Übersicht:

übersicht des trappist-1 systems
DIE VIER NEUEN WELTEN DES TRAPPIST-1 UND DER GROSSE KONJUNKTIV IN DER ASTRONOMIE 3

Weiter außen in der Scheibe gibt es mehr flüchtige Gase, dementsprechend haben die Planeten dort vermutlich eine Atmosphäre aufgebaut. Diese kann durch Winde für einen Temperaturausgleich zwischen der Tagseite und der Nachtseite sorgen. An der Übergangszone gäbe es sicher gigantische Stürme, doch eine Atmosphäre könnte fast einheitliche Temperaturen und somit die Existenz von flüssigem Wasser auf dem ganzen Planeten ermöglichen.

Sind ultrakühle Zwerg für Leben geeignet?

Ob extrem kühle Sterne wie TRAPPIST-1 überhaupt für Leben geeignet sind, ist seit längerem umstritten. Dafür spricht die enorme Langlebigkeit der Sterne. Die sogenannte Konvektionszone umfasst in Roten Zwergen fast den gesamten Stern. Das ist der Bereich, in dem Plasmaströme den Kernbrennstoff verteilen. Dadurch lagert sich in Roten Zwergen kein Helium im Kern an und zudem kann fast der gesamte Wasserstoff effektiv verbraucht werden.

Ultrakühle Zwerge können so mehrere Billionen Jahre lang strahlen, bevor sie zu weißen Zwergen werden, das ist hunderte Male länger als seit dem Urknall Zeit vergangen ist. Das spricht natürlich für die Lebensfreundlichkeit Roter Zwerge, denn Leben hat so viel mehr Zeit, zu entstehen, sich zu entwickeln und höhere Formen anzunehmen.

Allerdings neigen Rote Zwerge zu starker Aktivität, sogenannten Flares. Sie entstehen, wenn sich magnetische Feldlinien über der Sternoberfläche öffnen und das Plasma entweichen kann. Bereits die Sonne erzeugt hin und wieder Flares, 11.859 HE etwa verursachte eine starke Sonneneruption das Carrington-Ereignis, den stärksten je beobachteten Magnetsturm auf der Erde.

In Havanna und Hawaii waren Polarlichter zu sehen, das neu installierte Telegraphennetz fiel weltweit aus. Noch größere Ereignisse könnten die Erdatmosphäre dauerhaft schädigen. Die starke Konvektion in Roten Zwergen verursacht natürlich gigantische Flares, einige Roten Zwerge leuchten dann für einige Minuten um das hundertfache heller. Die Erde und das irdische Leben würde solche Eruptionen nicht lange mitmachen, die freigesetzte Strahlung ist 100-mal stärker als das, was sie resistentesten Lebensformen auf der Erde aushalten würden.

Doch eine dichte Atmosphäre, ein starkes Magnetfeld oder auch ein tiefer Ozean könnte die Strahlung weitgehend abschirmen. Zudem weiß man nicht, welche Wege die Evolution findet, um Lebewesen auch in solchen Umgebungen entstehen zu lassen. Und TRAPPIST-1 gehört wohl nicht zu den extrem aktiven Sternen, daher besteht hier Anlass zum Optimismus.

Weitere Untersuchungen nötig

Wenn ihr also gelesen habt, um zu erfahren, ob die Planeten des TRAPPIST-1 lebensfreundlich sind, waren das zehn verlorene Lebensminuten, denn wie bereits gesagt besitzen wir die Technologie noch nicht, eine zweite Erde einwandfrei zu identifizieren. 

Zahlen und Daten zum TRAPPIST-1-System:

T-1bT-1cT-1dT-1eT-1fT-1gT-1h
Gleichgewichtstemperatur
(Erde: -18°C)
127°C61,7°C-15°C-46°C-54°C-79°C-104°C
Habitable Zone?neinjajajajajanein
Masse in Erdmassen0,851,380,410,620,681,340,33
Radius in Erdradien1,091,060,770,921,041,130,77
Rotationsperiode1,5 d2,24 d4,05 d6,1 d9,21 d12,35 d18,77 d
Entfernung vom Stern0,01 AE0,015 AE0,021 AE0,028 AE0,037 AE0,045 AE0,062 AE

Wann das James Webb Space Telescope fertig sein wird, wäre Stoff für einen eigenen Artikel, das Teleskop ist nämlich eine Art Flughafen Berlin-Brandenburg der Raumfahrt. Als die Planungen in den 90ern begannen, hatte man noch keine Ahnung von erdähnlichen Exoplaneten. Somit muss das Teleskop immer wieder den neuen Ansprüchen der Astronomie angepasst werden.

Ursprünglich war der Start für 12.014 HE geplant und die Kosten auf US-amerikanischer Seite betrugen 3,3 Milliarden Euro, mittlerweile werden es mindestens 9,66 Milliarden Euro bei einem Starttermin 12.021 HE. Nun soll es, wenn es denn mal startet, auch fähig sein, die Zusammensetzung der Atmosphären erdnaher Gesteins-Exoplaneten zu untersuchen.

Dabei kann zum einen endgültig festgestellt werden, ob es flüssiges Wasser auf den Planeten gibt, aber auch ob es dort außerirdisches Leben gibt, denn Elemente wie Sauerstoff können nur durch biologische Phänomene entstehen, man spricht von Biomarkern. Und tatsächlich steht zumindest TRAPPIST-1e ganz vorne auf der Agenda des Teleskops.

In einigen Jahren werden wir also wissen, wie lebensfreundlich die Welten von TRAPPIST-1 sind und vielleicht sogar, ob dort jemand lebt. Und wenn nicht, dann könnten wir das ändern, denn TRAPPIST-1 ist auch das Ziel des sogenannten Genesis-Projekts, einer Sonde, die Planeten mit irdischem Leben bevölkern soll. Doch ich bin mir sicher, es wird bis dahin noch viele unbegründete Alien-Spekulationen geben, auch zu TRAPPIST-1.

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