Die ultraviolette bewohnbare Zone kann eine zeitliche Grenze für die Entstehung von Leben setzen

Das Forschungsgebiet extrasolarer Planeten ist in den letzten 20 Jahren exponentiell gewachsen. Dank Missionen wie Kepler, dem Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) und anderen speziellen Observatorien haben Astronomen 5.690 Exoplaneten in 4.243 Sternsystemen bestätigt.

Angesichts der Vielzahl der für die Erforschung verfügbaren Planeten und Systeme waren die Wissenschaftler gezwungen, viele bisherige Vorstellungen über die Entstehung und Entwicklung von Planeten sowie über die Voraussetzungen für Leben zu überdenken. Im letzteren Fall haben die Wissenschaftler das Konzept der zirkumsolaren habitablen Zone (CHZ) überdacht.

Per Definition ist eine CHZ die Region um einen Stern, in der ein ihn umkreisender Planet warm genug wäre, um flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche zu haben. Im Laufe der Entwicklung von Sternen nimmt ihre Strahlung und Wärme je nach ihrer Masse zu oder ab, wodurch sich die Grenzen der CHZ verändern.

In einer aktuellen Studie untersuchte ein Team von Astronomen des italienischen Nationalen Instituts für Astrophysik (INAF), wie sich die Entwicklung von Sternen auf ihre ultravioletten Emissionen auswirkt. Da UV-Licht für die Entstehung des Lebens, wie wir es kennen, wichtig zu sein scheint, untersuchten sie, wie die Entwicklung der ultravioletten bewohnbaren Zone (UHZ) eines Sterns und seiner CHZ miteinander verknüpft sein könnten.

Das Forschungsteam wurde von Riccardo Spinelli geleitet, einem INAF-Forscher vom Astronomischen Observatorium Palermo. Ihm schlossen sich Astronomen vom Nationalen Institut für Kernphysik (INFN), der Universität Insubria und dem Astronomischen Observatorium Brera an.

Ihr Aufsatz „Die zeitliche Entwicklung der ultravioletten bewohnbaren Zone“ wurde kürzlich veröffentlicht im Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society: Briefe.

Wie Spinelli Universe Today per E-Mail mitteilte, ist die UHZ der ringförmige Bereich um einen Stern, in dem ein Planet genug UV-Strahlung erhält, um die Bildung von RNA-Vorläufern auszulösen, aber nicht so viel, dass Biomoleküle zerstört werden. „Diese Zone hängt in erster Linie von der UV-Leuchtkraft des Sterns ab, die mit der Zeit abnimmt“, sagte er. „Daher ist die UV-bewohnbare Zone in den frühen Stadien der Sternentwicklung weiter vom Stern entfernt und rückt mit der Zeit allmählich näher an den Stern heran.“

Wie Astronomen seit einiger Zeit wissen, unterliegen CHZs ebenfalls einer Evolution, die auf Veränderungen der Leuchtkraft und der Wärmeabgabe des Sterns zurückzuführen ist, die mit der Zeit je nach Masse des Sterns zu- oder abnehmen. Die Untersuchung der Wechselwirkung dieser beiden bewohnbaren Zonen könnte Aufschluss darüber geben, welche Exoplaneten am wahrscheinlichsten „potenziell bewohnbar“ für Leben, wie wir es kennen, sind.

Spinelli erläutert: „Wir wissen noch immer nicht genau, wie das Leben auf der Erde entstand, aber wir haben einige Hinweise, die darauf hindeuten, dass ultraviolette (UV-)Strahlung eine entscheidende Rolle gespielt haben könnte.“ Experimentelle Studien, wie die von Paul Rimmer und John Sutherland im Jahr 2018, liefern wichtige Erkenntnisse. In ihrem Experiment setzten Rimmer und Sutherland Blausäure- und Schwefelwasserstoff-Ionen in Wasser UV-Licht aus und entdeckten, dass diese Exposition effizient die Bildung von RNA-Vorläufern auslöste.

„Ohne UV-Licht ergab dieselbe Mischung eine inerte Verbindung, die nicht die Bausteine ​​des Lebens bilden konnte. Darüber hinaus zeigt RNA eine Resistenz gegen Schäden durch UV-Strahlung, was darauf hindeutet, dass sie wahrscheinlich in einer UV-reichen Umgebung entstanden ist. Tatsächlich war UV-Strahlung eine der ergiebigsten Quellen chemiefreier Energie auf der Oberfläche der frühen Erde, was darauf schließen lässt, dass sie eine entscheidende Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben könnte.“

Spinelli und seine Kollegen wollten herausfinden, ob (und wie lange) sich die CHZ und die UVZ überlappen und so die Entstehung von Leben ermöglichen würden. Zu diesem Zweck analysierte das Team Daten des Swift Ultraviolet/Optical Telescope (UVOT) der NASA, um die aktuelle UV-Leuchtkraft von Sternen mit Exoplaneten zu messen, die sich in der „klassischen“ HZ befinden.

Anschließend konsultierten sie Daten des Galaxy Evolution Explorer (GALEX) der NASA, eines Weltraumteleskops im Orbit, das Galaxien in bis zu 10 Milliarden Jahren Entfernung im UV-Wellenlängenbereich beobachtet.

Aus GALEX bezogen sie ein, wie sich bewegte Gruppen junger Sterne hinsichtlich ihrer Leuchtkraft im nahen UV-Bereich entwickeln. „Um die zeitliche Entwicklung der ultravioletten bewohnbaren Zone abzuschätzen, nutzten wir die von Richey-Yowell et al. 2023 erzielten Ergebnisse“, sagte Spinelli. „In dieser Arbeit leiteten die Autoren eine durchschnittliche UV-Leuchtkraftentwicklung für jeden Sterntyp ab. In unserer Arbeit rekonstruierten wir die Entwicklung der UV-Helligkeit von Sternen, die Planeten in der klassischen bewohnbaren Zone beherbergen, indem wir die von Richey-Yowell et al. 2023 abgeleitete durchschnittliche Entwicklung und die mit dem Swift-Teleskop durchgeführten Messungen kombinierten.“

Daraus schlossen sie, dass es eine Überschneidung zwischen der Entwicklung von CHZs und UHZs gibt. Diese Ergebnisse waren besonders bedeutsam für M-Sterne (rote Zwerge), bei denen viele Gesteinsplaneten gefunden wurden, die in ihren CHZs kreisen. Frühere Forschungen, darunter ein Papier aus dem Jahr 2023 von Spinelli und vielen derselben Kollegen, hat vorgeschlagen, dass M-Zwergsterne derzeit keine nahe UV-Strahlung erhalten, um die präbiotische Chemie zu unterstützen, die für die Entstehung von Leben notwendig ist. Ihre Schlussfolgerungen in diesem neuesten Artikel widersprachen jedoch ihren früheren Erkenntnissen.

Spinelli sagte: „Wir behaupten, dass bei der Untersuchung der Entwicklung der NUV-Leuchtkraft in M-Zwergen die meisten dieser kühlen Sterne tatsächlich in der Lage sind, während der ersten 1–2 Milliarden Jahre ihrer Lebensdauer eine entsprechende Menge an NUV-Photonen auszusenden, um die Bildung wichtiger Bausteine ​​des Lebens auszulösen.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Bedingungen für die Entstehung von Leben (gemäß dem von uns betrachteten spezifischen präbiotischen Weg) in der Galaxie üblich sein könnten oder gewesen sein könnten. Tatsächlich haben wir in dieser Arbeit gezeigt, dass eine Schnittstelle zwischen der klassischen bewohnbaren Zone und der ultravioletten bewohnbaren Zone um alle Sterne unserer Stichprobe in verschiedenen Stadien ihres Lebens existieren könnte (oder existiert haben könnte), mit Ausnahme der kühlsten M-Zwerge (Temperatur unter 2.800 K, insbesondere Trappist-1 und Teegardens Stern).“

Während sie für diejenigen, die auf einigen der sieben Gesteinsplaneten von TRAPPIST-1 Leben zu finden hoffen, eine kleine Enttäuschung sein könnten, verheißen sie Gutes für andere M-Sterne, die Gesteinsplaneten in ihren HZs beherbergen. Dazu gehören der dem Sonnensystem am nächsten gelegene Exoplanet (Proxima b), Ross 128 b, Luyten b, Gliese 667 Cc und Gliese 180 b, die alle weniger als 40 Lichtjahre von der Erde entfernt sind.

Diese Erkenntnisse könnten erhebliche Auswirkungen auf die Exoplaneten- und Astrobiologieforschung haben, die sich in den letzten Jahren von der Entdeckung zur Charakterisierung bewegt hat.

Diese Bereiche werden von Teleskopen der nächsten Generation wie Webb, dem Nancy Grace Roman Space Telescope und erdgebundenen Observatorien profitieren, die direkte Bildgebungsstudien von Exoplaneten ermöglichen werden.