Die Bewohnbarkeit von Exoplaneten des Roten Zwergs ist ein heißes Thema in der Weltraumwissenschaft. Diese kleinen, dunklen Sterne beherbergen viele Exoplaneten, darunter kleine felsige Planeten von der Größe der Erde. Aber die kleinen Sterne senden extrem starke Fackeln aus, die die Atmosphäre beschädigen und zerstören können.
Wenn wir jemals die Bewohnbarkeit von Roten Zwergen verstehen wollen, müssen wir die Atmosphären der Exoplaneten verstehen, die sie umkreisen.
In neuen Forschungen untersuchten Astronomen die Atmosphäre des oft erwähnten Exoplaneten GJ 367b und fanden, nun ja, nichts. Der Planet hat wahrscheinlich schon vor langer Zeit alle flüchtigen Stoffe verloren, die er hatte, und der rote Zwergstern, den er umkreist, ist dafür verantwortlich.
Gliese 367 ist ein etwa 30 Lichtjahre entfernter roter Zwergstern (M-Zwerg), der von drei bekannten Exoplaneten umkreist wird. Astronomen fanden GJ 367b und seine Geschwister im Jahr 2021 mit dem TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) der NASA. GJ 367b ist ein Planet mit ultrakurzer Periode, der für eine Umlaufbahn nur 7,7 Stunden benötigt und wahrscheinlich durch Gezeiten an seinen Stern gebunden ist. Er ist so nah am Roten Zwergstern, dass er hundertmal mehr Strahlung von der Sonne erhält als die Erde. Aufgrund der Strahlung, die auf seine Oberfläche trifft, beträgt die Tagestemperatur etwa 1.500 °C (1.770 K; 2.730 °F).
GJ 367b ist eine Untererde mit einem Radius von etwa 72 % des Erdradius. Aber es ist extrem dicht, fast doppelt so dicht wie die Erde. Wissenschaftler gehen davon aus, dass es sich hauptsächlich um Eisen handelt und dass die äußeren Silikatschichten abgetragen wurden. Er wird manchmal der Eisenplanet genannt.
Im Vergleich zu anderen Sternen sind Exoplaneten um Rote Zwerge leichter zu erkennen, da sie viel dunkler und kleiner sind. Dies hilft, Planeten sowohl mit der Transitmethode als auch mit der Radialgeschwindigkeitsmethode zu finden. Deshalb ist es sinnvoll, sie beide zu studieren, weil sie so zahlreich sind und wir so viele von ihnen sehen können.
In einem neuen, noch zu veröffentlichenden Artikel untersuchten Forscher GJ 367b mit dem Mid-Infrared Instrument (MIRI) des James Webb Space Telescope. Der Artikel lautet: „GJ 367b ist eine dunkle, heiße, luftlose Untererde.“ Es ist jetzt im Vordruck, Gesendet zum arXiv Server, und der Autor ist Michael Zhang, Postdoktorand in der Abteilung für Astronomie und Astrophysik der University of Chicago.
Der Titel des Papiers verrät die Schlussfolgerungen, aber die Details sind interessant.
GJ 367b hätte nie bewohnbar sein können, weil er seinem Stern viel zu nahe ist. Aber Astronomen sind sehr an Exoplaneten interessiert, die Rote Zwerge (M-Zwerge) umkreisen. Einerseits gibt es viele Rote Zwerge; Die Hälfte der Sterne in der Milchstraße sind wahrscheinlich Rote Zwerge, vielleicht sogar weit mehr. Der Großteil der Exoplaneten in unserer Galaxie umkreist also wahrscheinlich Rote Zwerge, und Planetenjäger haben eine Fülle von Exoplaneten in der Nähe von Roten Zwergen gefunden.
„Die Frage, ob kleine Gesteinsplaneten, die M-Zwerge umkreisen, Atmosphären beherbergen können, ist für die Bewohnbarkeit von größter Bedeutung“, schreiben die Autoren. Rote Zwergplaneten sind einfacher zu untersuchen als sonnenähnliche Sterne, da Rote Zwerge schwächer und kleiner sind. Größere, hellere Sterne wie unsere Sonne können die Atmosphäre von Exoplaneten übertönen. Aber wenn es um die potenzielle Bewohnbarkeit roter Zwerg-Exoplaneten geht, hat sich ein Elefant in den Raum eingeschlichen: Fackeln.
Mindestens ein Wissenschaftler, der die Atmosphären von Exoplaneten untersucht hat, glaubt, dass wir nur noch wenige Jahre davon entfernt sind, die Bewohnbarkeit roter Zwerge zu beseitigen. Sein Name ist Dr. Luis Welbanks, ein Exoplanetenwissenschaftler von der Arizona State University. Bildnachweis: Universe Today
„Allerdings wird seit langem vermutet, dass die energiereiche Strahlung, die Flares und die lange Vor-Hauptsequenz der M-Zwerge die Atmosphären von Planeten zerstören; das Ausmaß, in dem dies geschieht, ist Gegenstand aktiver Forschung“, erklären die Forscher.
Der Grund dafür, dass es sich um ein so aktives Forschungsgebiet handelt, liegt darin, dass die grundlegenden Mechanismen hinter der Entstehung einer Atmosphäre kaum verstanden sind. Es gibt zwei Mechanismen: die Abgabe flüchtiger Stoffe während der Entstehung eines Planeten und die Freisetzung flüchtiger Stoffe, wenn ein junger Magma-Ozeanplanet abkühlt und sich verfestigt. Es gibt auch zwei Mechanismen, die eine Atmosphäre zerstören können, und auch sie bedürfen weiterer Forschung: Photoverdunstung und Sternwinderosion.
Es gibt viel zu lernen, und genau darum geht es in dieser Forschung. „Durch die Beobachtung von M-Zwergplaneten und die Bestimmung, welche Atmosphären sie gegebenenfalls beherbergen, können wir eine Stichprobe empirischer Benchmarks erstellen, die zur Kalibrierung atmosphärischer Massenverlustmodelle verwendet werden können“, stellen die Autoren klar und deutlich fest.
Die Forscher untersuchten das Emissionsspektrum von GJ 367b am Tag, um festzustellen, woraus die Oberfläche besteht und welche Art von Atmosphäre, wenn überhaupt, vorhanden ist, auch wenn es sich nur um eine dünne, fragile Atmosphäre handelt. Sie kamen zu dem Schluss, dass der Planet eine Albedo von Null, keine Wärmerückführung und keine Atmosphäre hat.
„GJ 367b ist die erste Suberde mit thermischen Oberflächenbeobachtungen“, schreiben Zhang und seine Co-Autoren. „Diese Beobachtungen offenbaren einen Planeten ohne erkennbare Atmosphäre, ohne Wärmeumverteilung und eine dunkle Oberfläche im MIRI-Bandpass (AB ≈ 0,1) mit einem Schwarzkörper-Emissionsspektrum.“
„Die fehlende Wärmeumverteilung schließt Atmosphären von ≳1 bar für eine Vielzahl von Zusammensetzungen aus, während das Emissionsspektrum für einige Zusammensetzungen sogar noch dünnere Atmosphären ausschließt“, erklären die Autoren. Zum Vergleich: Die Erdatmosphäre hat auf Meereshöhe etwa 1 bar.
Das Fehlen einer Atmosphäre bei GJ 367b ist keine Überraschung. Das liegt daran, dass es oberhalb der sogenannten „kosmischen Küstenlinie“ liegt. Die kosmische Küstenlinie ist eine Metapher für einen statistischen Trend, der alle Planeten miteinander verbindet. Es ist eine Trennlinie, die entsteht, wenn wir das Licht vergleichen, das ein Planet von seinem Stern empfängt, und wie leicht die Atmosphäre des Planeten in den Weltraum entweichen kann.
„Angesichts der Tatsache, dass sich der Planet weit über der ‚kosmischen Küstenlinie‘ befindet, ist das Fehlen einer Atmosphäre nicht überraschend, obwohl es nicht die beste Nachricht für die Aussicht ist, die Atmosphären von M-Zwergfelsplaneten zu messen“, erklären die Autoren.
GJ 367b würde niemals bewohnbar sein. Es ist viel zu nah an seinem Stern. Aber es sind immer noch wichtige Daten, die Wissenschaftlern zu einem besseren Verständnis der Atmosphären von Exoplaneten im Allgemeinen verhelfen werden. Und wir brauchen mehr Daten wie diese, wenn wir die Bewohnbarkeit von Roten Zwergen verstehen wollen.
„Wir empfehlen JWST-Beobachtungen von Planeten näher an oder unterhalb der kosmischen Küstenlinie, um zu verstehen, welche Gesteinsplaneten, die M-Zwerge umkreisen, wenn überhaupt, Atmosphären haben“, schließen die Autoren.
Wie sind also die Aussichten für die Bewohnbarkeit von M-Zwergen? Es mehren sich die Hinweise darauf, dass Rote Zwerge keine guten Partner sind, wenn es um die Bewohnbarkeit von Exoplaneten geht. Da sie so dunkel sind, liegt ihr Aufenthaltsbereich viel näher. Das bedeutet, dass Exoplaneten in der bewohnbaren Zone eines Roten Zwergs einem intensiven Fackeln ausgesetzt sind, das die Atmosphäre zerstören und ihre Oberflächen in intensive Strahlung tauchen kann.
Mehr Informationen:
Michael Zhang et al., GJ 367b ist eine dunkle, heiße, luftlose Untererde. arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2401.01400