Der Begriff "zirkumstellare bewohnbare Zone", auch "bewohnbare Zone HZ" oder "Goldlöckchen-Zone" genannt, wurde in letzter Zeit in der astronomischen Gemeinschaft häufig verwendet. Dies ist nicht überraschend, da er immer im Zusammenhang mit auftauchtextrasolare Planetenentdeckungen.
Und in den letzten Jahren wurden Tausende von Exoplaneten entdeckt, von denen viele zufällig in der jeweiligen bewohnbaren Zone ihres Sterns umkreisen.
Dieser Begriff hat die Tendenz, Aufregung hervorzurufen, da er impliziert, dass Wissenschaftler der Suche nach Beweisen für das Leben jenseits der Erde einen Schritt näher kommen könnten. Der Begriff ist jedoch aus demselben Grund etwas problematisch.
VERBINDUNG: WAS BEDEUTET "HABITABLE ZONE" UND WIE DEFINIEREN WIR ES?
Genau wie der Begriff "erdähnlich" ist der Ausdruck "bewohnbare Zone" von Bedeutung und bringt eine gewisse Menge an Annahmen und Vermutungen mit sich. Wenn wir also verstehen wollen, was dieser Begriff bedeutet, was er bedeutetimpliziert, und was die Auswirkungen der Anwendung bedeuten, müssen wir einige Dinge tun.
Für den Anfang brauchen wir eine kleine Auffrischung der tatsächlichen Definition dieses Begriffs. Zweitens müssen wir uns alle Forschungsergebnisse insbesondere das aktuelle Material ansehen, um zu sehen, wie entschieden wird, wo sie gelten.
traditionelle Definition
Grundsätzlich bezieht sich HZ auf die Region um einen Stern, in der ein Planet genügend Licht und Wärme erhalten würde, um Oberflächentemperaturen zu gewährleisten, die das Wasser in flüssiger Form halten könnten. Betrachten Sie als Referenzpunkt Venus, Erde und Mars, die sich alle befindenin oder überspannen unsere Sonne HZ.
Unsere Sonne ist ein gelber Zwerg vom Typ G der Hauptsequenz, der in Größe und Masse relativ mäßig ist und Oberflächentemperaturen von etwa 5.800 K 5.500 ° C; 10.000 ° F aufweist. Diese Art von Stern macht ungefähr 7% der Sterne in unserer Galaxie aus.
Die Erde umkreist die Sonne in einer durchschnittlichen Entfernung von 1 Astronomischen Einheit AU, die sich auf 150 Millionen km 93 Millionen mi oder weit innerhalb der HZ unserer Sonne erstreckt. Die Erdachse ist jedoch um 23,4 ° zur Sonne geneigt, was bedeutet, dass die Temperaturen von Jahreszeit zu Jahreszeit variieren.
Tatsächlich sind die Temperaturen so niedrig wie –89 ° C –128,5 ° F wurden während einer kalten Nacht in Wostok, Antarktis und so hoch wie aufgezeichnet 71 ° C 159 ° F im Sommer in der iranischen Lut-Wüste.
Trotzdem dies ergibt eine durchschnittliche Oberflächentemperatur von ca. 15 ° C 58 ° F, was bedeutet, dass t Die Erdoberfläche von der der größte Teil von Ozeanen bedeckt ist kann Wasser in flüssiger Form halten, was für das Leben, wie wir es kennen, unerlässlich ist.
Im Gegensatz dazu überspannt die Venus den inneren Rand des HZ und umkreist die Sonne in einer durchschnittlichen Entfernung von 0,72 AE 108,2 Millionen km; 67,2 Millionen Meilen.Diese Änderung der Entfernung bedeutet, dass die Venus ungefähr doppelt so viel Sonnenstrahlung erhält wie die Erde.
In Kombination mit der Zusammensetzung der Atmosphäre was zu einem außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt führt ist die Venus der heißeste Planet im Sonnensystem: 737 K 462 ° C. Die Oberflächentemperaturen sind heiß genug, um zu schmelzenBlei und weit über die für die Sterilisation verwendeten Temperaturen hinaus ist Venus unbewohnbar.
Am anderen Ende der Dinge befindet sich der Mars, der unsere Sonne in einer durchschnittlichen Entfernung von etwa 1,5 AE 227,9 Millionen km umkreist. Dadurch befindet er sich am äußeren Rand des HZ unserer Sonne und hat einen DurchschnittOberflächentemperatur von 210 K –63 ° C; –82 ° F.
Da die Marsachse wie die der Erde geneigt ist 25,19 ° zur Sonne, erfährt der Mars auch saisonale Temperaturschwankungen. Insgesamt reichen die Oberflächentemperaturen an den Polen während der Pole von –143 ° C –226 ° FWinter bis zu einem Höchstwert von 35 ° C 95 ° F am Äquator im Sommer mittags.
Aus diesem Grund ist der Mars ein sehr trockener und ausgetrockneter Ort. Alle bekannten Wasserquellen sind entweder in den polaren Eiskappen oder im Boden um die Polarregionen als Permafrost gefroren. Alles andere müsste sich unter der Oberfläche befinden.höchstwahrscheinlich in Form von Salzlaken.
Am Beispiel unseres Sonnensystems kann man die Bedeutung des Begriffs "Goldlöckchen-Zone" erkennen.
Während ein Planet wie Venus zu nah an der Sonne und daher zu heiß und ein Planet wie Mars zu weit zu kalt ist, sitzt die Erde ungefähr in der Mitte und ist genau richtig.
Nicht nur eine Frage der Umlaufbahn
Leider ist es nicht nur eine Frage der Planung seiner Umlaufbahn, festzustellen, ob ein Planet bewohnbar ist. Und es gibt eine Menge Evolution, die dazu beiträgt, einen Planeten für das "Leben, wie wir es kennen" gastfreundlich zu machen. Dies war sicherlich bei der Erde der Fall.
Ein sehr langer Prozess, der Milliarden von Jahren geologischer Evolution, Veränderungen in unserer Sonne und primitive Lebensformen umfasste, war erforderlich, um die Erde zu dem Planetentyp zu machen, den wir heute kennen und lieben.
Zur gleichen Zeit waren Venus und Mars nicht immer so, wie sie heute sind. Tatsächlich glauben Wissenschaftler, dass beide Planeten einst flüssiges Wasser auf ihren Oberflächen und Atmosphären hatten, die dem Leben viel förderlicher waren. Aber aufgrund einer Reihe vonEreignisse die auch Milliarden von Jahren dauerten wurden zu lebensfeindlichen Welten, wie wir sie kennen.
Im Fall der Venus ist die vorherrschende Theorie, dass vor Millionen von Jahren ein "feuchter Treibhauseffekt" auftrat, der eine außer Kontrolle geratene globale Erwärmung auslöste.
Als Dr. Michael J. Way, Spezialist für Informationstechnologie am Goddard Institute for Space Flight Studies der NASA per E-Mail erklärt, dieser Prozess soll vor 750 Millionen Jahren als Ergebnis von a begonnen haben nahezu globales Resurfacing-Ereignis :
"In diesem Szenario wäre der größte Teil des Kohlenstoffs wie auf der Erde eingeschlossen worden - in Karbonatgesteinen in der Kruste / Lithosphäre. Dann passierte etwas im Inneren des Planeten, das zu einer massiven Oberflächenerneuerung führte. Als Teil davon stieg die Oberflächentemperatur anwurden die Kohlenstoffspeicher an der Oberfläche freigesetzt und in die Atmosphäre abgeladen, in der es heute noch vorhanden ist. "
VERBINDUNG: ERDGRÖSSE PLANETEN IN BEWOHNBARER ZONE DES NÄCHSTEN STERNES GEFUNDEN
Der Mars hat aufgrund seiner geologischen Entwicklung auch starke Klimaveränderungen erfahren. Kurz gesagt, der Mars hat heute eine sehr dünne Atmosphäre, da er im Gegensatz zur Erde keine schützende Magnetosphäre hat, die verhindert, dass Sonnenwind seine Atmosphäre abstreift.
Vor ungefähr 4,3 Milliarden Jahren vermuteten Wissenschaftler jedoch, dass der Mars eine Magnetosphäre hatte, die wie die Erde durch Konvektion im Kern angetrieben wurde. Da der Mars kleiner und weniger massereich als die Erde ist, kühlte das Innere des Planeten schneller ab als das der Erdeder äußere Teil des Kerns zu verfestigen.
Infolgedessen verlor der Mars seine Magnetosphäre, seine Atmosphäre wurde langsam entfernt und der Planet erfuhr einige drastische Veränderungen seines Klimas. Vor etwa 3,7 Milliarden Jahren war die Marsoberfläche sehr kalt und trocken gewordenund unwirtlicher Ort ist es heute.
Mit diesen Solaranaloga wird deutlich, dass die Bewohnbarkeit nicht nur auf die Umlaufbahn zurückzuführen ist. Es sind auch eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, wie z. B. die atmosphärische Zusammensetzung, die geologische Geschichte und eine Reihe anderer Faktoren, die von weitem nicht festgestellt werden könnenUmfragen.
Wiederum suchen Exoplanetenjäger am Beispiel der Erde auch nach Anzeichen spezifischer chemischer Elemente, Moleküle oder Isotope, die mit dem Leben verbunden sind, wie wir es kennen auch bekannt als ". Biosignaturen "oder" Biomarker ".
Dazu gehört Wasser, das für das Leben, wie wir es kennen, essentiell ist und das einzige uns bekannte Lösungsmittel, das Leben aufnehmen kann. Gasförmiges Wasser ist auch ein Treibhausgas, daher hilft es im Rahmen eines Wasserkreislaufs auch, das eines Planeten zu erhaltenüber die Zeit stabile Temperaturen.
Es gibt auch Sauerstoffgas, das nicht nur für das Leben, wie wir es kennen, essentiell ist, sondern auch ein Nebenprodukt von photosynthetischen Organismen. Wasserstoff und Kohlenstoff sind ebenfalls Schlüsselindikatoren, da sie die Schlüsselkomponenten von Wasser H²O und Kohlendioxid CO² sind und Oxide wie Sulfate, Silikate und andere Mineralien in der Kruste eines Planeten.
Kohlendioxid ist neben Kohlenstoffverbindungen und Carbonatmineralien ein wichtiger Biomarker. Für den Anfang ist Kohlendioxidgas Nahrung für photosynthetische Organismen und ein Nebenprodukt für komplexe sauerstoffatmende Lebensformen. Darüber hinaus ist es ein natürliches Treibhausgasmacht es zu einem wirksamen Klimastabilisator.
Stickstoff ist ein wichtiger Biomarker, da er ein wichtiges Puffergas in der Erdatmosphäre ist. Mineralien wie Phosphor und Schwefel sind ebenfalls ein wichtiger Bestandteil des Lebens auf der Erde, was sie zu möglichen Indikatoren für das Leben in anderen Systemen macht.
Man könnte den Eindruck gewinnen, dass das Auffinden von bewohnbaren Exoplaneten nur eine einfache Angelegenheit ist, Planeten zu suchen, die in ihren Sternen HZ umkreisen und alle notwendigen Elemente enthalten. Es gibt jedoch beträchtliche Forschungsergebnisse, die einen Schatten auf diesen einfachen Ansatz werfen.
Unzuverlässige Biomarker
Diese Forschung hat gezeigt, dass die Bedingungen, unter denen Leben entsteht, viel temperamentvoller sein können als wir dachten. Für den Anfang spielen Treibhausgase und Biomarker wie Sauerstoffgas eine Rolle, die tatsächlich lebensfeindlich sein könntenrichtige Bedingungen.
Zum Beispiel hat die jüngste Explosion der Zahl der Entdeckungen von Exoplaneten gezeigt, dass rote Zwergsterne vom Typ M am wahrscheinlichsten terrestrische Planeten in ihren HZs umkreisen. Für den Anfang haben diese Sterne sehr enge HZs im Vergleich zu helleren und mehrmassive Sterne.
Infolgedessen würde jeder Planet, der nahe genug umkreist, um flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche zu haben, mit seinem Stern gezeitengesperrt sein dh eine Seite ist ständig dem Stern zugewandt. Dies bedeutet, dass eine Seite ständig der Sonnenstrahlung ausgesetzt wäre.die dort für alle Lebensformen gefährlich sein könnten.
Es erhöht auch die Wahrscheinlichkeit, dass die Tagesseite kein flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche halten kann. Aufgrund der gesamten UV-Strahlung, die die Oberfläche bombardiert, tritt wahrscheinlich eine chemische Dissoziation auf. Bei diesem Prozess wird Wasser in Wasserstoff zerlegtGas, das in den Weltraum verloren geht, und Sauerstoffgas, das in der Atmosphäre verbleibt.
Während dieser Prozess eine Atmosphäre gewährleisten würde, die Sauerstoffgas enthält ein wichtiger Biomarker, würde er keine Lebensdauer garantieren. Tatsächlich aktuelle Forschung hat gezeigt, dass es dagegen wirken kann. Auf der Erde war Sauerstoff das Ergebnis von photosynthetischen Organismen, die CO²-Gas metabolisieren.
Eine Sauerstoffatmosphäre, die das Ergebnis einer chemischen Dissoziation ist, wäre jedoch für solche Lebensformen toxisch. Was noch schlimmer ist, Planeten, die kühlere Sterne umkreisen, haben vermutlich höhere Konzentrationen an Kohlenmonoxid CO in ihrer Atmosphäre, was für sie toxisch wäregrundlegende und komplexe Organismen gleichermaßen.
In der Vergangenheit haben Wissenschaftler auch argumentiert, dass einige Planeten, die den äußeren Rand ihrer HZ überspannen, noch bewohnbar sein könnten, wenn sie ausreichend hohe CO²-Konzentrationen in ihrer Atmosphäre hätten, wodurch ein ausreichender Treibhauseffekt sichergestellt würde. Allerdings zu viel CO²wäre schlecht für das Leben, wie wir es kennen.
Ein gutes Beispiel dafür ist Kepler-62f eine Supererde, die einen Stern umkreist, der etwas kleiner und dunkler als unsere Sonne ist, ungefähr 990 Lichtjahre von der Erde entfernt. Als er 2013 entdeckt wurde, wurde angenommen, dass dieser Planet ein Stern ist guter Kandidat für außerirdisches Leben unter der Annahme eines ausreichenden Treibhauseffekts.
jedoch nachfolgende Berechnungen von Forschern an der NASA Astrobiology Institute zeigte, dass 1000-mal mehr Kohlendioxid 300 bis 500 Kilopascal benötigt wird als auf der Erde, als sich komplexe Lebensformen entwickelten vor ca. 1,85 Milliarden Jahren - was für die meisten komplexen Lebensformen hier auf der Erde toxisch wäre.
Sobald diese physiologischen Einschränkungen berücksichtigt sind, wird geschätzt, dass die bewohnbare Zone für komplexes Leben erheblich enger sein muss als bisher angenommen - ungefähr ein Viertel dessen, was wir dachten.
Wasser, Wasser überall!
Ein weiteres großes Problem betrifft die Verbreitung von Wasser auf extrasolaren Planeten. Einfach ausgedrückt, viele dieser Planeten haben möglicherweise zu viel Wasser, was für das Leben tatsächlich schlecht wäre. Wie bei den meisten Dingen zu viel GutesDing kann dich töten!
Basierend auf Daten von Kepler-Weltraumteleskop und Gaia Mission, Wissenschaftler haben es geschafft, die Radien der über 4000 bisher entdeckten Exoplaneten zusammen mit ihren Umlaufzeiten und anderen Parametern genau zu messen.
Diese Exoplaneten-Kandidaten können in zwei Größenkategorien unterteilt werden: solche mit dem 1,5-fachen Radius der Erde und solche mit einem Durchschnitt von etwa 2,5 Erdradien. Während Planeten, die in die erstere Kategorie fallen, als felsig angesehen werden, sind die letzteren felsigEs wird allgemein angenommen, dass es von Supererden bis zu Gasriesen in Neptungröße reicht.
nach Kompositionsmodelle Von diesen Planeten wird geschätzt, dass viele der Exoplaneten, die zwei- bis viermal so groß wie die Erde sind, tatsächlich "Wasserwelten" sind. Dies sind Planeten, auf denen ungefähr 50% der Masse aus Wasser besteht während es sich um Wasser handeltnur 0,2% der Erdmasse.
In Kombination mit ihren Umlaufbahnparametern sind die Oberflächentemperaturen auf diesen Planeten wahrscheinlich ziemlich hoch, was zu einer von Wasserdampf dominierten Atmosphäre führt. Unter der Oberfläche haben die Ozeane wahrscheinlich eine Hochdruckeisschicht um einen FelsenAder.
Nichts davon ist besonders gut für das Leben. Abgesehen von der extremen Hitze und dem fehlenden Zugang zu ausreichend Sonnenlicht gibt es auch das Problem, dass es keine Landmassen gibt. Nach mehreren Forschungslinien müssen Planeten Kontinente und Ozeane damit ein komplexes Leben entsteht.
Eine dicke Eisschicht zwischen Kern und Ozean würde auch bedeuten, dass keine hydrothermale Aktivität auf dem Meeresboden stattfindet, was ebenfalls lebenswichtig sein kann. Dies basiert auf der Tatsache, dass auf der Erde die früheste versteinerte Beweise des Lebens ungefähr 3,77 Milliarden Jahre alt wurde auf dem Meeresboden um hydrothermale Quellen gefunden.
Solche tiefen Ozeane würden auch den Kohlenstoffkreislauf behindern. Einer der Gründe, warum die Erde über lange Zeiträume stabile Temperaturen aufrechterhalten konnte, ist der regelmäßige Austausch von CO² zwischen Atmosphäre und Kruste.
Dies ist der sogenannte Kohlenstoffkreislauf, bei dem tektonische Aktivität atmosphärisches CO² in Carbonatmineralien umwandelt was zur globalen Abkühlung führt und es dann über Vulkane wieder freisetzt was zur globalen Erwärmung führt.
Ein solcher Prozess wäre in Wasserwelten nicht möglich, in denen die gesamte Oberfläche von sehr tiefen Ozeanen bedeckt ist. In diesen Welten würde Wasser die Absorption von Kohlendioxid durch Gesteine verhindern und die vulkanische Aktivität unterdrücken - obwohl es möglich ist, dass die Ozeane selbst könnte genug CO2 zirkulieren.
Geologisch "stagnierende" Welten
Last but not least gibt es das Problem der tektonischen Aktivität selbst. Auf der Erde bestehen die Kruste und der Mantel auch bekannt als Lithosphäre aus einer Reihe von Platten, die in ständiger Bewegung sind. Wenn zwei Platten kollidieren, wird dieErgebnis ist eine Subduktion, bei der eine Platte unter die andere und tiefer in den Untergrund gedrückt wird.
Diese Subduktion bewirkt, dass der dichte Mantel schmilzt und schwimmfähiges Magma bildet, das dann durch die Kruste zur Erdoberfläche aufsteigt und Vulkane erzeugt. Wie bereits erwähnt, ist dieser Prozess für den Kohlenstoffkreislauf von zentraler Bedeutung, da er CO² in den Mantel drückt und sich zurückziehtin die Atmosphäre.
In dieser Hinsicht standen Plattentektonik und vulkanische Aktivität im Mittelpunkt des Entstehung des Lebens hier auf der Erde indem sichergestellt wird, dass die Oberflächentemperaturen stabil bleiben. Auf Planeten mit "stehendem Deckel", auf denen keine tektonische Aktivität vorhanden ist, wäre die Situation jedoch ganz anders.
Dies sind Planeten, bei denen die Kruste aus einer einzelnen, riesigen Kugelplatte besteht, die auf dem Mantel schwimmt und nicht in getrennten Teilen. Bisher wurden noch keine extrasolaren Planeten bestätigt, die tektonische Aktivität zeigen, was darauf hindeuten könnte, dass stagnierende Deckelplaneten viel sindhäufiger.
Grundsätzlich wäre es für diese Planeten viel schwieriger, einen Kohlenstoffkreislauf und Temperaturen aufrechtzuerhalten, die die Bewohnbarkeit begünstigen. neuere Forschung hat angegeben, dass es immer noch möglich wäre, wenn diese Planeten bei ihrer Bildung genügend wärmeerzeugende Elemente hätten dh das anfängliche Wärmebudget.
bleibendes Geheimnis des Lebens
Ein weiteres Problem bei der Suche nach Welten, auf denen Leben leben könnte, hat mit der ungelösten Frage zu tun, wie Leben entsteht. Wissenschaftler wissen zwar, welche Grundelemente für das Leben hier auf der Erde wesentlich sind, sind sich aber noch nicht sicher, wiees ist alles entstanden.
Irgendwann in der fernen Vergangenheit kamen alle für das Leben wesentlichen anorganischen Inhaltsstoffe zusammen, um organisches Leben zu schaffen ein Prozess, der als "Abiogenese" bekannt ist. Derzeit ist noch nicht klar, wie dies geschehen ist, obwohl Experimente durchgeführt wurdeneiner Antwort immer näher kommen.
Andererseits ist es auch möglich, dass die frühesten präbiotischen Verbindungen oder sogar Lebensformen über Asteroiden oder Meteoriten auf die Erde kamen gemäß der Theorie von " Panspermie ". Wenn dies zutrifft, hat der Prozess der Umwandlung anorganischer Elemente in Leben woanders stattgefunden.
Am Ende können wir nur weiter suchen. Während die Wissenschaftler im Labor weiterhin terrestrische Lebensformen untersuchen, um herauszufinden, wie das Leben auf der Erde begann.
In der Zwischenzeit werden Erkundungsmissionen das Sonnensystem weiter durchsuchen, um herauszufinden, wo sonst Leben entstehen könnte, während Astronomen das Universum weiter untersuchen, in der Hoffnung, weitere Beispiele für lebenstragende Planeten zu finden.
Während experimentelle Forscher von verbesserten Instrumenten, Forschungs- und Datenaustauschmethoden profitieren, werden die Explorationsbemühungen in den kommenden Jahren und Jahrzehnten vom Einsatz von Teleskopen und Roboterforschern der nächsten Generation profitieren.
Im Fall des ersteren gehören dazu die James Webb-Weltraumteleskop JWST und die Weitfeld-Infrarot-Weltraumteleskop WFIRST sowie bodengestützte Observatorien wie die Extrem großes Teleskop ELT, die 30-Meter-Teleskop und die Riesen-Magellan-Teleskop GMT.
Im letzteren Fall gehören dazu die Mars 2020 Rover, der Europa Clipper Raumschiff, das JUpiter Icy Moon Explorer SAFT, der Libelle Mission zu Titan und viele, viele mehr.
Weiterführende Literatur :
- ESA - Was sind Exoplaneten?
- NASA - Galactic Habitable Zones
- PHL - Habitable Exoplanets Catalogue
- ESA - So finden Sie einen extrasolaren Planeten
- NASA - JWST - Planeten & Ursprünge des Lebens
- NASA - Ein neues Modell für bewohnbare Zonen
- Wikipedia - Circumstellar Habitable Zone
- NASA - Auf der Suche nach Leben an den richtigen Orten
- USM - Planetarium: "Wird die Sonne heißer?"
- NASA - Herzlich Willkommen: Suche nach bewohnbaren Planeten
- NASA - Der äußere Rand der bewohnbaren Zone eines Sterns ist ein harter Ort fürs Leben