Gezeitenerwärmung könnte Exomonde viel bewohnbarer (und nachweisbarer) machen

Innerhalb des Sonnensystems zielen die meisten unserer astrobiologischen Forschungen auf den Mars ab, der als der nächstbewohnbarste Körper jenseits der Erde gilt. Zukünftige Bemühungen zielen jedoch darauf ab, eisige Satelliten im äußeren Sonnensystem zu erforschen, die auch bewohnbar sein könnten (wie Europa, Enceladus, Titan und mehr). Diese Dichotomie zwischen terrestrischen (felsigen) Planeten, die innerhalb der habitablen Zonen (HZ) ihres Systems kreisen, und eisigen Monden, die weiter von ihren Muttersternen entfernt kreisen, wird voraussichtlich zukünftige Untersuchungen von extrasolaren Planeten und die astrobiologische Forschung beeinflussen.

Tatsächlich glauben einige, dass Exomonde eine entscheidende Rolle bei der Bewohnbarkeit von Exoplaneten spielen und auch ein guter Ort sein könnten, um nach Leben außerhalb des Sonnensystems zu suchen. In einer neuen Studie untersuchte ein Forscherteam, wie die Umlaufbahn von Exomonden um ihre Mutterkörper zu Gezeitenerwärmung führen (und ihr Grenzen setzen) könnte – wo Gravitationswechselwirkung zu geologischer Aktivität und Erwärmung im Inneren führt. Dies wiederum könnte Exoplaneten-Jägern und Astrobiologen helfen, festzustellen, welche Exomonde mit größerer Wahrscheinlichkeit bewohnbar sind.

Die Forschung wurde von dem Doktoranden Armen Tokadjian und Professor Anthony L. Piro von der University of Southern California (USC) und The Observatories of the Carnegie Institution for Science durchgeführt. Das Papier, das ihre Ergebnisse beschreibt („Tidal Heating of Exomoons in Resonance and Implications for Detection“), ist kürzlich online erschienen und wurde zur Veröffentlichung im eingereicht Astronomisches Journal. Ihre Analyse wurde weitgehend durch das Vorhandensein von Multiplaneten-Mondsystemen im Sonnensystem inspiriert, wie z. B. solchen, die Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun umkreisen.

In vielen Fällen wird angenommen, dass diese eisigen Monde innere Ozeane haben, die aus der Gezeitenerwärmung resultieren, wo die Wechselwirkung der Gravitation mit einem größeren Planeten zu geologischen Vorgängen im Inneren führt. Dies wiederum ermöglicht die Existenz flüssiger Ozeane aufgrund des Vorhandenseins hydrothermaler Quellen an der Kern-Mantel-Grenze. Die Hitze und die Chemikalien, die diese Öffnungen in die Ozeane freisetzen, könnten diese „Ozeanwelten“ potenziell bewohnbar machen – etwas, das Wissenschaftler seit Jahrzehnten zu untersuchen hoffen. Wie Tokadjian Universe Today per E-Mail erklärte:

„Aus astrobiologischer Sicht kann die Erwärmung durch Gezeiten die Oberflächentemperatur eines Mondes auf einen Bereich erhöhen, in dem flüssiges Wasser existieren kann. Daher können sogar Systeme außerhalb der bewohnbaren Zone weitere astrobiologische Studien rechtfertigen. Zum Beispiel beherbergt Europa aufgrund von Gezeitenwechselwirkungen einen flüssigen Ozean mit Jupiter, obwohl er außerhalb der Eislinie des Sonnensystems liegt.“

Wenn man bedenkt, wie zahlreich „Ozeanwelten“ im Sonnensystem sind, ist es wahrscheinlich, dass ähnliche Planeten und Mehrmondsysteme überall in unserer Galaxie zu finden sind. Wie Piro Universe Today per E-Mail erklärte, hat die Anwesenheit von Exomonden viele wichtige Auswirkungen auf das Leben, darunter:

In den letzten Jahrzehnten haben Geologen und Astrobiologen die Theorie aufgestellt, dass die Entstehung des Mondes (vor ca. 4,5 Milliarden Jahren) eine große Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt hat. Unser planetares Magnetfeld ist das Ergebnis dessen, dass sich sein geschmolzener äußerer Kern um einen festen inneren Kern dreht und in der entgegengesetzten Richtung der eigenen Rotation des Planeten. Das Vorhandensein dieses Magnetfelds schirmt die Erde vor schädlicher Strahlung ab und ermöglicht es unserer Atmosphäre, im Laufe der Zeit stabil zu bleiben – und nicht langsam vom Sonnenwind abgestreift zu werden (was beim Mars der Fall war).

Kurz gesagt, die Wechselwirkungen zwischen einem Planeten und seinen Satelliten können die Bewohnbarkeit beider beeinflussen. Wie Tokadjian und Piro in einer früheren Arbeit am Beispiel zweier Kandidaten-Exoplaneten (Kepler-1708 bi und Kepler-1625 bi) gezeigt haben, kann die Anwesenheit von Exomonden sogar zur Erforschung des Inneren von Exoplaneten genutzt werden. Im Fall von Mehrmondsystemen, sagten Tokadjian und Piro, hängt die Menge der Gezeitenerwärmung von mehreren Faktoren ab. Wie Piro illustrierte:

„Wenn ein Planet auf einem Mond Gezeiten anhebt, wird ein Teil der durch die Verformung gespeicherten Energie in die Erwärmung des Mondes übertragen. Dieser Prozess hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der inneren Struktur und Größe des Mondes, der Masse des Planeten, des Planeten -Mondtrennung und die orbitale Exzentrizität des Mondes. In einem Mehrmondsystem kann die Exzentrizität auf relativ hohe Werte angeregt werden, wenn die Monde in Resonanz sind, was zu einer erheblichen Gezeitenerwärmung führt.

„In Armens Arbeit zeigt er schön, in Analogie zu der Gezeitenerwärmung, die wir für Io um Jupiter sehen, dass resonante Wechselwirkungen zwischen mehreren Monden Exmonde effizient erwärmen können. Mit ‚resonant‘ meinen wir den Fall, in dem die Perioden der Monde einer ganzen Zahl gehorchen mehrere (wie 2 zu 1 oder 3 zu 2), so dass sich ihre Umlaufbahnen regelmäßig durch die Schwerkraft gegenseitig „anstoßen“.

In ihrer Arbeit betrachteten Tokadjian und Piro Monde in einer 2:1-Orbitalresonanz um Planeten unterschiedlicher Größe und Art (dh kleinere Gesteinsplaneten bis hin zu Neptun-ähnlichen Gasriesen und Super-Jupitern). Die größte Gezeitenerwärmung wird demnach in Monden auftreten, die mit einer Umlaufzeit von zwei bis vier Tagen erdähnliche Gesteinsplaneten umkreisen. In diesem Fall war die Gezeitenleuchtkraft mehr als das 1000-fache der von Io, und die Gezeitentemperatur erreichte 480 K (~ 207 ° C; 404 ° F).

Diese Ergebnisse könnten drastische Auswirkungen auf zukünftige Untersuchungen von Exoplaneten und Astrobiologie haben, die auf die Suche nach Exomonden ausgeweitet werden. Während Missionen wie Kepler viele Exomond-Kandidaten entdeckt haben, wurde keiner bestätigt, da Exomonde mit herkömmlichen Methoden und aktuellen Instrumenten unglaublich schwer zu entdecken sind. Wie Tokadjian erklärte, könnte die Gezeitenerwärmung neue Methoden zur Erkennung von Exomonden bieten:

„Zuerst haben wir die Methode der sekundären Sonnenfinsternis, bei der sich ein Planet und sein Mond hinter einen Stern bewegen, was zu einem beobachteten Einbruch des Sternenflusses führt. Wenn der Mond stark erhitzt wird, wird dieser sekundäre Einbruch tiefer sein als erwartet Planeten allein. Zweitens wird ein erhitzter Mond wahrscheinlich flüchtige Stoffe wie Natrium und Kalium durch Vulkanismus ausstoßen, ähnlich wie im Fall von Io. Der Nachweis von Natrium- und Kaliumsignaturen in der Atmosphäre von Exoplaneten kann ein Hinweis auf den Ursprung des Exomonds sein.“

In den kommenden Jahren werden sich Teleskope der nächsten Generation wie das James Webb (das seine ersten Bilder am 12. Juli veröffentlichen wird) auf ihre Kombination aus fortschrittlicher Optik, IR-Bildgebung und Spektrometern verlassen, um chemische Signaturen von Exoplanetenatmosphären zu erkennen. Andere Instrumente wie das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO werden auf adaptive Optiken angewiesen sein, die eine direkte Abbildung von Exoplaneten ermöglichen. Die Fähigkeit, chemische Signaturen von Exomonden zu erkennen, wird ihre Fähigkeit, potenzielle Lebenszeichen zu finden, erheblich verbessern.