Die geringe Größe und das schwache Licht weißer Zwerge – der Überreste von Sternen, deren Brennstoff aufgebraucht ist – könnten einen hervorragenden Hintergrund für die Untersuchung von Planeten bieten, auf denen genügend Wasser vorhanden ist, um Leben zu beherbergen.
Der Trick besteht darin, den Schatten eines Planeten vor einem ehemaligen Stern zu erkennen, der auf einen Bruchteil seiner Größe geschrumpft ist, und herauszufinden, dass es sich um einen Planeten handelt, der seine Wasserozeane Milliarden von Jahren lang bewahrt hat, selbst nachdem er die explosiven und gewalttätigen letzten Atemzüge des Sterns überstanden hat. Eine neue Studie zur Dynamik von Weißen Zwergsystemen legt nahe, dass einige Wasserplaneten theoretisch tatsächlich die Himmelsnadeln einfädeln könnten, die notwendig sind, um auf ihre Entdeckung und genauere Untersuchung zu warten.
Astronomen, die Planeten außerhalb unseres Sonnensystems (sogenannte Exoplaneten) auf mögliche Lebenszeichen untersuchen, sammeln Daten, während diese Planeten an ihrem Stern vorbeiziehen – oder zwischen dem Stern und unseren Teleskopen vorbeiziehen. Sie verwenden das Licht des Sterns, das durch die dünne Atmosphärenschicht des Planeten dringt, um herauszufinden, welche Elemente und Moleküle vorhanden sind.
Ein riesiger Stern, in dem die Kernfusion mit voller Kraft brodelt, kann unübersichtlich und schwer zu betrachten sein. Die Entdeckung eines Planeten, der einen kleineren und ruhigeren Weißen Zwerg umkreist, ist daher weniger astronomisch als Blinzeln.
„Weiße Zwerge sind so klein und so unauffällig, dass man ihre Atmosphäre viel besser charakterisieren könnte, wenn ein terrestrischer Planet vor ihnen vorbeiziehen würde“, sagt Juliette Becker, Astronomieprofessorin an der University of Wisconsin–Madison und Hauptautorin der Studie, die derzeit bei AAS Journals begutachtet wird und in Madison auf der 244. Treffen der American Astronomical Society. „Die Atmosphäre des Planeten hätte ein viel größeres, klareres Signal, weil ein größerer Teil des Lichts, das Sie sehen, genau das durchdringt, was Sie untersuchen möchten.“
Die erste große Hürde für einen solchen Planeten wäre es, die (relativ gesehen) letzten Tage eines kleinen bis mittelgroßen Sterns zu überleben. Denn diese können hart sein.
Wenn Sternen wie unserer Sonne der Brennstoff für die Fusionsreaktionen in ihrem Kern ausgeht, wachsen sie auf enorme Größe an.
„Im Grunde genommen gibt es zwei Impulse, während derer der Stern auf das Hundertfache seines normalen Radius anwächst“, sagt Becker. „Während er das tut – wir können diesen Teil Zerstörungsphase Nr. 1 nennen – wird er alle Planeten verschlingen, die sich innerhalb dieses Radius befinden.“
Selbst wenn ein Planet, der Wasser enthält, nicht verschluckt wird, ist er noch nicht über den Berg. Auf das pralle Wachstum des Sterns folgt der Verlust seiner Masse und ein enormer Anstieg seiner Helligkeit.
„Die Tatsache, dass der Stern so viel heller wird, bedeutet, dass die Oberflächentemperaturen aller Planeten im System, selbst der bisher kalten im äußeren Sonnensystem, plötzlich drastisch ansteigen werden“, sagt Becker. „Das kann dazu führen, dass ihre Ozeane verdunsten und sie viel Wasser verlieren.“
Ein erdähnlicher Planet muss also mindestens fünf bis sechs Astronomische Einheiten (1 AE ist die durchschnittliche Entfernung zwischen der Erde und unserer Sonne) von seinem sterbenden Stern entfernt sein, um trotz des Anschwellens des Sterns, des Planetenfressens und des Lichtbombardements eine nennenswerte Menge seines Wassers zu behalten, so die neue Studie.
Doch die Ruhe nach dem Sturm stellt eine weitere Hürde dar. Im Laufe von einer Milliarde oder mehr Jahren wird der einstmals tobende Stern schrumpfen und abkühlen.
„Wenn man sich während dieser gefährlichen Zeit weit genug vom Stern entfernt aufhalten kann, sodass das Oberflächenwasser nicht verloren geht, ist das gut“, sagt Becker. „Aber der Nachteil ist, dass man so weit vom Stern entfernt sein wird, dass das gesamte Wasser zu Eis wird, und das ist nicht gut für das Leben.“
Letzten Endes wird der Weiße Zwerg so klein und kalt sein, dass ein Planet, der genügend Wärme erhält, um flüssiges Wasser zu haben, eher 1 Prozent einer Astronomischen Einheit entfernt sein müsste – also sehr weit von der Sicherheitsgrenze von 5 bis 6 AE entfernt.
Eine Möglichkeit, die Umlaufbahn eines Planeten so stark zu verschieben, die sogenannte Gezeitenmigration, könnte hilfreich sein.
„Die Veränderung der Umlaufbahn eines Planeten ist ziemlich normal“, sagt Becker. „Bei der Gezeitenmigration bringt eine gewisse dynamische Instabilität zwischen den Planeten im System einen von ihnen in eine Umlaufbahn mit hoher Exzentrizität, wie ein Komet, wo er sehr nahe an den zentralen Körper des Systems herankommt und dann wieder weit hinaus.“
Bei solchen Umlaufbahnen würden sich weniger exzentrische, stabilere Bahnen ergeben, die einen Planeten sehr nahe an einen Weißen Zwerg heranführen könnten.
„Wenn man all diese Modelle zusammennimmt, sieht man, dass es eine gefährliche Reise für den Planeten ist und dass es für die Ozeane schwierig ist, diesen Prozess zu überleben, aber es ist möglich“, sagt Becker, zu dessen Mitarbeitern Andrew Vanderburg, ein Astrophysiker vom Massachusetts Institute of Technology, der vor kurzem Professor an der UW–Madison war, und UW–Madison-Student Joseph Livesey gehören.
Weitere Arbeiten zu den Umständen möglicher Paarungen zwischen Weißen Zwergen und Planeten könnten die Chancen verbessern und die Entscheidungsfindung erleichtern, wenn es an der Zeit ist, die begrenzten Teleskopressourcen für die Suche nach Planeten einzusetzen, die Leben beherbergen könnten.
„Wenn wir viele Weiße Zwerge finden, die gute Kandidaten für potenziell bewohnbare Exoplaneten sind, könnten sie die Zeit wert sein“, sagt Becker. „Und diese theoretischen Techniken werden uns helfen, die besten Ziele herauszufiltern, sodass wir nicht zu viel Zeit mit den uninteressanten verbringen.“