Exoplaneten könnten mehr Wasser enthalten als bisher angenommen

Wir wissen, dass die Erde einen Eisenkern hat, der von einem Mantel aus Silikatgestein umgeben ist, und dass sich auf ihrer Oberfläche Wasser (Ozeane) befindet. Dieses einfache Planetenmodell wird von der Wissenschaft bis heute zur Erforschung von Exoplaneten verwendet – Planeten, die einen anderen Stern außerhalb unseres Sonnensystems umkreisen.

„Erst in den letzten Jahren haben wir begonnen zu erkennen, dass Planeten komplexer sind als gedacht“, sagt Caroline Dorn, Professorin für Exoplaneten an der ETH Zürich.

Die meisten der heute bekannten Exoplaneten befinden sich in der Nähe ihres Sterns. Das bedeutet, dass sie hauptsächlich aus heißen Welten bestehen, die aus Ozeanen geschmolzenen Magmas bestehen, die noch nicht abgekühlt sind und einen festen Mantel aus Silikatgestein wie die Erde gebildet haben. Wasser löst sich in diesen Magmaozeanen sehr gut – im Gegensatz beispielsweise zu Kohlendioxid –, das schnell ausgast und in die Atmosphäre aufsteigt.

Unter der schmelzflüssigen Hülle aus Silikaten befindet sich der Eisenkern. Wie verteilt sich das Wasser zwischen den Silikaten und dem Eisen?

Genau das hat Dorn in Zusammenarbeit mit Haiyang Luo und Jie Deng von der Princeton University mithilfe von Modellrechnungen auf Basis fundamentaler physikalischer Gesetze untersucht. Die Forscher gegenwärtig ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Naturastronomie.

Magmasuppe mit Wasser und Eisen

Um die Ergebnisse zu erklären, muss Dorn etwas ins Detail gehen: „Der Eisenkern braucht Zeit, um sich zu bilden. Ein großer Teil des Eisens ist zunächst in Form von Tröpfchen in der heißen Magmasuppe enthalten.“ Das in dieser Suppe eingeschlossene Wasser verbindet sich mit diesen Eisentröpfchen und sinkt mit ihnen zum Kern. „Die Eisentröpfchen verhalten sich wie ein Aufzug, der vom Wasser nach unten befördert wird“, erklärt Dorn.

Bisher war dieses Verhalten nur bei moderaten Drücken bekannt, wie sie auch auf der Erde herrschen. Was bei größeren Planeten mit höheren Drücken im Inneren passiert, war unbekannt.

„Das ist eines der zentralen Ergebnisse unserer Studie“, sagt Dorn. „Je größer der Planet und je größer seine Masse, desto mehr neigt das Wasser dazu, sich den Eisentröpfchen anzuschließen und sich im Kern einzulagern. Eisen kann unter Umständen bis zu 70-mal mehr Wasser aufnehmen als Silikate. Wegen des enormen Drucks im Kern liegt das Wasser allerdings nicht mehr in Form von H2O-Molekülen vor, sondern in Form von Wasserstoff und Sauerstoff.“

Große Mengen Wasser befinden sich auch im Inneren der Erde

Anlass für die Studie waren Untersuchungen zum Wassergehalt der Erde, die vor vier Jahren ein überraschendes Ergebnis lieferten: Die Ozeane an der Erdoberfläche enthalten nur einen kleinen Bruchteil des gesamten Wassers unseres Planeten. Der Inhalt von mehr als 80 Ozeanen könnte dagegen im Erdinneren verborgen sein. Das zeigen Simulationen, die berechnen, wie sich Wasser unter Bedingungen verhält, wie sie in der Jugend der Erde herrschten. Experimente und seismologische Messungen sind demnach kompatibel.

Die neuen Erkenntnisse über die Verteilung des Wassers auf Planeten haben dramatische Konsequenzen für die Interpretation astronomischer Beobachtungsdaten. Mit ihren Teleskopen im Weltraum und auf der Erde können Astronomen unter bestimmten Voraussetzungen das Gewicht und die Größe eines Exoplaneten messen. Aus diesen Berechnungen erstellen sie Masse-Radius-Diagramme, die Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Planeten zulassen. Werden dabei – wie bisher – Löslichkeit und Verteilung des Wassers außer Acht gelassen, kann das Wasservolumen um das bis zu Zehnfache dramatisch unterschätzt werden.

„Auf den Planeten gibt es viel mehr Wasser als bisher angenommen“, sagt Dorn.

Die Evolutionsgeschichte verstehen

Die Wasserverteilung ist auch wichtig, wenn wir verstehen wollen, wie Planeten entstehen und sich entwickeln. Das Wasser, das in den Kern gesunken ist, bleibt dort für immer gefangen. Das im Magmaozean des Mantels gelöste Wasser kann jedoch bei der Mantelabkühlung Gas verlieren und an die Oberfläche steigen.

„Wenn wir also Wasser in der Atmosphäre eines Planeten finden, ist in seinem Inneren wahrscheinlich noch viel mehr davon vorhanden“, erklärt Dorn.

Dies ist die Aufgabe des James-Webb-Weltraumteleskops, das seit zwei Jahren Daten aus dem All zur Erde sendet. Es ist in der Lage, Moleküle in der Atmosphäre von Exoplaneten aufzuspüren.

„Nur die Zusammensetzung der oberen Atmosphäre von Exoplaneten lässt sich direkt messen“, erklärt der Wissenschaftler. „Unsere Gruppe möchte nun die Verbindung von der Atmosphäre ins Innere von Himmelskörpern herstellen.“

Besonders interessant sind die neuen Daten des Exoplaneten mit der Bezeichnung TOI-270d.

„Dort wurden Hinweise darauf gesammelt, dass es tatsächlich solche Wechselwirkungen zwischen dem Magmaozean in seinem Inneren und der Atmosphäre gibt“, sagt Dorn, die an der entsprechenden Publikation über TOI-270d beteiligt war. Auf ihrer Liste interessanter Objekte, die sie genauer untersuchen möchte, steht auch der Planet K2-18b, der wegen der Wahrscheinlichkeit, dass auf ihm Leben existiert, Schlagzeilen machte.

Sind Wasserwelten letztlich lebenserhaltend?

Wasser ist eine der Voraussetzungen für die Entwicklung von Leben. Schon lange wurde über die mögliche Bewohnbarkeit wasserreicher Supererden spekuliert – also Planeten mit einer Masse, die um ein Vielfaches größer ist als die der Erde und deren Oberfläche von einem tiefen, globalen Ozean bedeckt ist. Doch Berechnungen legten nahe, dass zu viel Wasser lebensfeindlich sein könnte. Das Argument war, dass in diesen Wasserwelten eine Schicht exotischen Hochdruckeises den Austausch lebenswichtiger Substanzen an der Schnittstelle zwischen Ozean und Erdmantel verhindern würde.

Die neue Studie kommt nun zu einem anderen Schluss: Planeten mit tiefen Wasserschichten dürften eine Seltenheit sein, da sich das meiste Wasser auf Supererden nicht, wie bislang angenommen, an der Oberfläche befindet, sondern im Kern eingeschlossen ist. Dies lässt Wissenschaftler annehmen, dass selbst Planeten mit relativ hohem Wassergehalt das Potenzial haben könnten, erdähnliche Lebensbedingungen zu entwickeln. Wie Dorn und ihre Kollegen schlussfolgern, wirft ihre Studie damit ein neues Licht auf die mögliche Existenz wasserreicher Welten, die Leben beherbergen könnten.