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Erdähnliche Planeten in der bewohnbaren Zonen roter Zwergsterne könnten trockene Wüsten sein

27. September 2015


Rote Zwergsterne der Spektralklasse M machen etwa 90% der Sterne in unserer Galaxie aus. Sie sind damit nicht nur deutlich häufiger vertreten als alle anderen Sterntypen zusammen, sie bieten auch viel bessere Voraussetzungen für die Entdeckung von Planeten. Diese Sterne überstrahlen das von ihren Planeten reflektierte Licht nicht so stark wie das zum Beispiel bei sonnenähnlichen Sternen der Fall ist. Auch befinden sich Planeten innerhalb der bewohnbaren Zone näher an ihrem kleinen Stern, wodurch ihr Aufspüren über Transitereignisse erleichtert wird. Zudem wirkt die Schwerkraft der Planeten stärker auf den roten Zwergstern, weswegen sie auch gut über Messung der Radialgeschwindigkeit des Sterns nachweisbar sind. In Anbetracht ihrer Häufigkeit sind rote Zwergsterne ein interessantes Gebiet zur Suche nach erdähnlichen Planeten. Wären solche Welten tatsächlich bewohnbar?

Ein wichtiger Aspekt hierbei ist die Verweildauer des Sterns auf der Hauptreihe der stellaren Entwicklung. Rote Zwergsterne verbrauchen ihren Wasserstoff so langsam, dass sie 50 Milliarden Jahre oder bei den kleineren Vertretern auch deutlich länger in der stabilen Hauptreihenphase bleiben können. Für eine Biosphäre wäre dies ein wichtiger Faktor für langfristige Stabilität. Allerdings befindet sich die bewohnbare Zone wegen der schwächeren Sonneneinstrahlung zugleich so nahe am Zentralstern, dass die Gezeitenkräfte die Eigendrehung eines Planeten ausbremsen würden. Planeten in dieser Zone hätten jeweils eine permanente Tag- und Nachtseite. Eine solch ungleichmäßige Wärmeeinstrahlung könnte zur Folge haben, dass Wasser und Kohlendioxid auf der Nachtseite des Planeten gefrieren und eine riesige Eiskappe bilden, während die Tagseite unter der permanenten Sonneneinstrahlung vertrocknet und dem Planeten nur eine dünne Atmospäre verbleibt. Klimasimulationen haben zwar zeigen können, dass eine dichte Kohlendioxidatmosphäre die Wärme auf der gesamten Planetenoberfläche so effizient verteilen könnte, dass ein Ausfrieren des Wassers und der Atmosphäre vermieden wird. Allerdings gibt es noch weitere Faktoren zu berücksichtigen.

Ein wichtiger Unterschied zwischen sonnenähnlichen Sternen und roten Zwergsternen ist die deutlich höhere Aktivität der Zwergsterne. Koronale Massenausbrüche, auch „Sonnenfackeln" genannt, sind bei Roten Zwergen viel häufiger und auch sehr viel stärker als bei unserer Sonne. Bei vielen von ihnen fallen sie so heftig aus, dass sich die Leuchtkraft des gesamten Sterns binnen weniger Minuten vervielfacht. Dies hätte dramatische Konsequenzen für einen erdähnlichen Planeten. Nicht nur müssten potenzielle Lebensformen die immer wiederkehrenden Strahlungsausbrüche irgendwie überleben. Die mit den Ausbrüchen einhergehende Partikelstrahlung würde die Atmosphäre und das Wasser des Planeten mit der Zeit abtragen. Ein erdähnlicher Planet könnte innerhalb weniger Milliarden Jahre mehr Wasser verlieren, als die Ozeane der Erde insgesamt enthalten. Der Planet würde vertrocknen. Zugleich könnte sich der aus der Wasserspaltung freiwerdende Sauerstoff in der Atmosphäre anreichern, sofern er nicht durch andere geochemische Vorgänge wieder entfernt wird. Das Ergebnis wäre ein trockener Wüstenplanet mit einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre.

Ein Planet mit einem starken Magnetfeld, vergleichbar dem irdischen Magnetfeld oder stärker, könnte den Folgen der Partikelstrahlung zwar entgehen. Dennoch unterlägen die Oberfläche und auch die Atmosphäre den Auswirkungen der Leuchtkraftzunahme während der Ausbrüche.
Das größte Problem könnte jedoch schon während der Bildung der Planeten zum Tragen kommen. Die stellare Aktivität von roten Zwergsternen ist besonders hoch während der ersten Milliarde Jahre ihrer Existenz. Planeten, die sich in Umlaufbahnen formieren, die der bewohnbaren Zone entsprechen, hätten während ihrer Entstehungsphase nicht genügend Wasser oder Gase in ihrer Umgebung zur Verfügung, um einen nennenswerten Wasservorrat oder eine Atmosphäre aufzubauen.

Auch wenn rote Zwergsterne die häufigsten Sterne in der Galaxis sind, so dürften die meisten erdähnlichen Planeten in ihrer Umgebung trockene Wüsten sein.


Hypothetischer Blick auf die Oberfläche eines erdähnlichen Planeten in der Nähe eines roten Zwergsterns. Die Szene zeigt den Planeten während einer ruhigeren Phase des Sterns. Oxidhaltige Gesteine dominieren die Umgebung, die Atmosphäre ist von Staub gefärbt. In einigen Niederungen bildet sich Nebel.


Referenzen:

Lissauer (2007): Planets formed in habitable zones of M dwarf stars probably are deficient in volatiles. The Astrophysical Journal 660: L149-L152
Lammer, Lichtenegger, Kulikov, Grießmeier, Terada, Erkaev, Biernat, Khodachenko, Ribas, Penz, Selsis (2007): Coronal Mass Ejection (CME) Activity of Low Mass M Stars as an Important Factor for the Habitability of Terrestrial Exoplanets. II. CME-Induced Ion Pick Up of Earth-like Exoplanets in Close-In Habitable Zones. Astrobiology 7(1): 185-207
Tian (2009): Thermal escape from super Earth atmospheres in the habitable zone of M stars. The Astrophysical Journal 703: 905-909
Luger, Barnes (2015): Extreme Water Loss and Abiotic O2 Buildup on Planets Throughout the Habitable Zones of M Dwarfs. Astrobiology 15(2): 119-143


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