Bei der Suche nach bewohnbaren Exoplaneten wird nach Planeten mit ähnlichen Bedingungen wie auf der Erde gesucht, etwa flüssiges Wasser, ein geeigneter Temperaturbereich und atmosphärische Bedingungen. Ein entscheidender Faktor ist die Position des Planeten in der bewohnbaren Zone, der Region um einen Stern, in der möglicherweise flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche vorhanden sein könnte.
Das 2009 gestartete Kepler-Teleskop der NASA ergab, dass 20–50 % der sichtbaren Sterne solche bewohnbaren, erdgroßen Gesteinsplaneten beherbergen könnten. Das Vorhandensein von flüssigem Wasser allein garantiert jedoch nicht die Bewohnbarkeit eines Planeten. Auf der Erde spielen Kohlenstoffverbindungen wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Kohlenmonoxid (CO) eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung des Klimas und der Biogeochemie und könnten zur Entstehung von Leben beigetragen haben.
Vor diesem Hintergrund zielt eine aktuelle Studie von außerordentlichem Professor Kazumi Ozaki vom Tokyo Institute of Technology zusammen mit dem assoziierten Forscher Yasuto Watanabe von der Universität Tokio darauf ab, die Suche nach bewohnbaren Planeten auszuweiten. Veröffentlicht in Das Astrophysikalische Journalverwendeten die Forscher Atmosphärenmodelle, um Bedingungen zu identifizieren, die zu einer CO-reichen Atmosphäre auf erdähnlichen Planeten führen könnten, die sonnenähnliche Sterne (F-, G- und K-Typ) umkreisen.
Atmosphärenmodelle deuten darauf hin, dass dieses als CO-Runaway bekannte Phänomen möglicherweise in frühen Planetenatmosphären aufgetreten ist und möglicherweise die Entstehung von Leben begünstigt hat.
„Die Möglichkeit eines CO-Austritts ist entscheidend für die Lösung des grundlegenden Problems hinsichtlich der Entstehung des Lebens auf der Erde, da sich in einer CO-reichen Atmosphäre mit größerer Wahrscheinlichkeit verschiedene organische Verbindungen bilden, die für die präbiotische Chemie geeignet sind, als in einer CO2-reichen Atmosphäre“, erklärt Dr. Ozaki.
Die Forscher modellierten den CO-Kreislauf zwischen der Atmosphäre und den Ozeanen und berücksichtigten dabei die verschiedenen Quellen der CO-Produktion, seine Transportmechanismen und die an seiner Entfernung beteiligten Prozesse. Als primäre CO-Quelle galt die Photolyse von CO2, bei der CO2 unter Lichteinwirkung in CO zerfällt.
Weitere Quellen waren photochemische Reaktionen in der Atmosphäre, Emissionen vulkanischer Gase und die hydrothermale Zersetzung von Formaldehyd (H2CO) im Ozean. Die Entfernung von CO aus der Atmosphäre erfolgte hauptsächlich durch seine Reaktion mit Hydroxylradikalen (OH), die durch die Photolyse von Wasserdampf entstehen, und in geringerem Maße durch Ablagerung auf der Planetenoberfläche.
Die Forscher fanden heraus, dass ein CO-Runaway auftritt, wenn die CO-Produktion die Entfernung durch OH-Radikale übersteigt. Dies kann auf höhere CO2-Werte oder das Vorhandensein reduzierender Gase von Vulkanen zurückzuführen sein, die um die OH-Radikale konkurrieren. Bei einer Temperatur von 277 K sind die Bedingungen für ein Durchgehen von CO erfüllt, wenn der Partialdruck von CO2 0,2 bar überschreitet.
Bei höheren Temperaturen (300 K) benötigt ein CO-Ausreißer jedoch noch höhere CO2- und Vulkangaswerte, da in der Atmosphäre mehr Wasserdampf vorhanden ist, der eine Hauptquelle für OH-Radikale darstellt. Einmal initiiert, wird der CO-Gehalt in der Atmosphäre nur durch die Oberflächenablagerung begrenzt, wobei CO auf der Planetenoberfläche abgelagert wird.
Bemerkenswerterweise führten die Veränderungen der CO-, CO2- und CH4-Gehalte vor und nach dem Runaway-Effekt zu einer Lücke, die sich im Phasenraum widerspiegelte, der durch die Verhältnisse ihrer Partialdrücke (pCO/pCO2 und pCH4/pCO2) definiert wurde.
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese CO-Fluchtlücke ein allgemeines Merkmal erdähnlicher, lebloser Planeten ist, die sonnenähnliche Sterne umkreisen, und liefert Einblicke in die Eigenschaften und die potenzielle Bewohnbarkeit von Exoplaneten“, sagt Dr. Ozaki.
Obwohl die genauen Bedingungen, die zur Entstehung von Leben führen, ungewiss bleiben, liefern Entdeckungen wie die CO-Fläche wertvolle Hinweise auf unserer Suche nach bewohnbaren Planeten, die die Entstehung von Leben unter den fast 40 Milliarden erdgroßen Planeten, die die Sonne umkreisen, erleichtern könnten Sterne in der Milchstraße.
Mehr Informationen:
Yasuto Watanabe et al., Relative Häufigkeit von CO2, CO und CH4 in Atmosphären erdähnlicher lebloser Planeten, Das Astrophysikalische Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad10a2