Eine andere Erklärung für K2-18b? Ein gasreicher Mini-Neptun ohne bewohnbare Oberfläche

Der Exoplanet K2-18b erregt große Aufmerksamkeit. Die Spektroskopie des James Webb-Weltraumteleskops zeigt, dass sich in seiner Atmosphäre Kohlenstoff und Methan befinden. Diese Ergebnisse legen zusammen mit anderen Beobachtungen nahe, dass es sich bei dem Planeten um eine seit langem vermutete „Hycean-Welt“ handeln könnte. Doch neue Forschungsergebnisse widersprechen dem.

Stattdessen könnte der Planet ein gasförmiger Mini-Neptun sein.

K2-18b befindet sich in der bewohnbaren Zone eines etwa 134 Lichtjahre entfernten Roten Zwergsterns. Es sind etwa 2,6 Erdradien und etwa 8,6 Erdmassen. Seine Umlaufzeit beträgt nur 33 Tage, er befindet sich also in der Nähe seines Sterns. Da es sich bei dem Stern jedoch um einen schwachen Roten Zwerg handelt, erhält K2-18b von seinem Stern etwa die gleiche Energiemenge wie die Erde von der Sonne.

Wissenschaftler rätseln immer noch über die Dichte und Zusammensetzung des Planeten. Seine Dichte liegt zwischen der Dichte von Erde und Neptun. Da es sich nicht überwiegend um Gestein wie die Erde oder nur um Gas wie Neptun handelt, führte dies zu Spekulationen, dass es sich um eine Hycean-(Ozean-)Welt handelt. Wissenschaftler können nur herausfinden, woraus K2-18b besteht, indem sie herausfinden, was sich in seiner Atmosphäre befindet.

Das hat das JWST getan und bei seinen Beobachtungen eine Reihe von Chemikalien gefunden, darunter CO2 und Methan. Außerdem wurde ein Mangel an Ammoniak festgestellt.

Anfang dieses Monats, Wissenschaftler stellte einige Forschungsergebnisse vor auf der arXiv Preprint-Server (Shorttle et al, 2024) basierend auf den Erkenntnissen des JWST. Durch die Arbeit mit Klima-Atmosphärenmodellen kamen diese Forscher zu dem Schluss, dass es sich bei K2-18b höchstwahrscheinlich um eine Magma-Ozeanwelt handelt. „Das Magma-Ozean-Modell reproduziert das aktuelle JWST-Spektrum von K2-18b“, schrieben sie, „… was darauf hindeutet, dass dies eine ebenso glaubwürdige Erklärung für aktuelle Beobachtungen ist wie der Planet, der einen Ozean mit flüssigem Wasser beherbergt.“

Aber eine andere Gruppe von Forschern ist damit nicht einverstanden. Diese Forscher glauben nicht, dass der Planet eine Hycean-Welt oder eine Lava-Welt ist. Sie haben präsentiert ein Papierauch auf arXivmit dem Titel „JWST-Beobachtungen von K2-18b können durch einen gasreichen Mini-Neptun ohne bewohnbare Oberfläche erklärt werden.“ Der Hauptautor ist Nicholas Wogan, ein Postdoktorand in der Abteilung für Weltraumwissenschaften am Ames Research Center der NASA. Wogan erforscht die frühe Erde sowie Exoplaneten und Astrobiologie.

Das JWST fand Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre von K2-18b und konnte auch kein Ammoniak nachweisen. Diese Ergebnisse deuten im Allgemeinen auf eine Hycean-Welt mit einer dicken Wasserstoff/Helium-Atmosphäre hin. Doch die Analyse von Shorttle et al. zeigte etwas anderes: Die Ergebnisse könnten auch einen Planeten mit einer Magmawelt zeigen.

Die neue Arbeit von Wogan et al. kommt zu einem anderen Ergebnis. „… wir bevorzugen die Mini-Neptun-Interpretation wegen ihrer relativen Einfachheit und weil sie keine Biosphäre oder andere unbekannte Methanquelle benötigt, um die Daten zu erklären“, schreiben sie.

In ihrer Arbeit verwendeten die Forscher photochemische und Klimamodelle, um verschiedene Versionen von K2-18b zu simulieren, darunter Hycean-Welten und einen gasreichen Mini-Neptun ohne definierte Oberfläche. Ihre Arbeit zeigt, dass das gasreiche Mini-Neptun-Modell am besten zu den Daten passt.

Die Atmosphären von Planeten sind außerordentlich komplex, und es ist eine enorme Aufgabe, herauszufinden, was aus so großer Entfernung vor sich geht. Wissenschaftler müssen nicht nur wissen, welche Chemikalien vorhanden sind (danke, JWST), sondern sie müssen auch alle ablaufenden Prozesse verstehen. Die Temperatur und der Druck in einer Atmosphäre spielen eine große Rolle bei dem, was wir sehen können und was möglicherweise verborgen bleibt.

Ein Aspekt der Atmosphäre von K2-18b ist die Überkritikalität. Eine überkritische Flüssigkeit ist eine Flüssigkeit, deren Temperatur und Druck oberhalb ihres kritischen Punktes liegen. Oberhalb dieses kritischen Punktes existieren weder Gas- noch Flüssigphasen. Der Druck ist jedoch nicht hoch genug, um das Material in einen festen Zustand zu zwingen. Jupiter und Saturn haben tief in ihrer Atmosphäre überkritische Flüssigkeiten, die sich ganz anders verhalten als Flüssigkeiten oder Gase. Das fügt eine weitere Ebene der Komplexität hinzu.

Forscher verfügen über Klimamodelle, die die Komplexität so gut wie möglich abbilden, und die Forscher verglichen die Ergebnisse des JWST mit drei modellierten Exoplaneten: einer unbewohnbaren Hycea-Welt, einer bewohnbaren Hycea-Welt und einem gasförmigen Mini-Neptun ohne Oberfläche.

„Angesichts der zusätzlichen Hindernisse für die Aufrechterhaltung eines stabilen gemäßigten Klimas auf Hycean-Welten aufgrund des H2-Austritts und der möglichen Überkritikalität in der Tiefe bevorzugen wir die Mini-Neptun-Interpretation wegen ihrer relativen Einfachheit und weil sie keine Biosphäre oder andere unbekannte Methanquelle benötigt.“ um die Daten zu erklären“, schreiben die Autoren.

Die Autoren weisen darauf hin, dass eine biogene Quelle oder eine andere unbekannte Quelle erforderlich ist, damit eine Hycean-Welt ihren atmosphärischen Methangehalt von 1 % aufrechterhält. Sie schreiben auch, dass es für K2-18b, wenn es sich um eine hykäische Welt handelt, sehr schwierig wäre, dem außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt zu entgehen und eine stabile Temperatur aufrechtzuerhalten. Die Autoren verwerfen die Hycean-Hypothese, weil sie voller Herausforderungen ist. Ihrer Meinung nach passt ein gasförmiges Mini-Neptun-Szenario besser zu den Daten und Modellen.

Sie verweisen auf die tiefe Atmosphäre des Planeten, um die Ergebnisse des JWST zu erklären. „Thermochemische Löschung in der tiefen Atmosphäre“ kann das vom JWST gefundene Methan und Kohlendioxid erklären, und die Kinetik in der tiefen Atmosphäre wie der Auftrieb kann den Mangel an Ammoniak und Kohlenmonoxid erklären.

Dies wird nicht das letzte Wort zu K2-18b sein. Die Daten werden einer weiteren Analyse unterzogen. Während wir uns weiterhin darum bemühen, es zu verstehen, werden die Ergebnisse auch unsere bestehenden Atmosphären- und Klimamodelle stärken. Eines Tages in der Zukunft werden Wissenschaftler wissen, wie man Exoplaneten unterscheidet.

Aber im Moment sind sie noch dabei, es herauszufinden.