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Wie die Exoplaneten-Modellierungssoftware der NASA Bedingungen auf dem Erdzwilling Proxima B simulierte
Letzte Woche wachte die Erde mit der Nachricht auf, dass sie einen Zwilling hat, der Proxima Centauri umkreist, einen roten Zwergstern und der nächste Nachbar der Sonne, nur 4,24 Lichtjahre entfernt. Proxima b, wie dieser Zwillingsplanet genannt wird, ist etwas größer als die Erde und umkreist seinen Stern alle 11 Tage in einem Abstand von nur 1/20 der Erde zur Sonne.
Da Proxima Centauri jedoch viel weniger hell ist als die Sonne, liegt Proxima b gut in der sogenannten bewohnbaren Zone, in der flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche existieren könnte. Das hat zu detaillierten Spekulationen darüber geführt, wie die Oberfläche von Proxima b aussehen könnte und wie wahrscheinlich es ist, dass diese Bedingungen das Leben unterstützen könnten.
Aber die NASA hat ein Software-Modellierungstool namens VPlanet, das die Bedingungen auf Exoplaneten modelliert, basierend auf dem, was über sie, ihren Mutterstern und die Prozesse der Planetenentwicklung bekannt ist. VPlanet prognostiziert dann mögliche Bedingungen auf der Oberfläche und sagt voraus, ob der Planet bewohnbar ist oder nicht.
Heute sagen Rory Barnes und seine Freunde vom Astrobiology Institute der NASA, dass sie VPlanet die über Proxima b gesammelten Daten verarbeiten lassen. Dadurch konnten sie mögliche Bedingungen auf Proxima b vorhersagen.
VPlanet beginnt damit, das Problem der Bestimmung der Bewohnbarkeit von Exoplaneten in neun separate Aufgaben zu zerlegen, die jeweils einen anderen Aspekt der planetaren Evolution untersuchen. Beispielsweise untersucht eine Aufgabe die Entwicklung des Muttersterns, um zu sehen, wie beispielsweise Änderungen der Leuchtkraft die unmittelbare Umgebung des Planeten beeinflusst hätten. Ein anderer betrachtet die Bewegung dieses Sternensystems durch die Galaxie und sucht nach engen Begegnungen, die einflussreich gewesen sein könnten.
Ein weiteres Modul untersucht den Wärmetransport vom Planetenkern zur Oberfläche, um zu sehen, wie dieser die Temperatur an der Oberfläche beeinflusst hätte. Und ein anderer simuliert, wie die Atmosphäre des Planeten in den Weltraum entwichen sein könnte und wie viel heute an Ort und Stelle bleiben würde. Und so weiter.
Die Ergebnisse dieses Modellierungsprozesses sind interessant zu lesen. Eine Möglichkeit, Vorhersagen für komplexe Situationen zu treffen, besteht darin, eine Simulation viele Male auszuführen, um zu sehen, ob sie normalerweise am selben Ort enden. VPlanet verwendet diese Technik, um den Einfluss vorbeiziehender Sterne auf die Umlaufbahn von Proxima b zu modellieren, indem es zufällig angemessene Umlaufbahnparameter für 10.000 verschiedene Simulationen auswählt. In jedem Fall stoppte das Team die Simulation, als die Umlaufbahn von Proxima b instabil wurde.
Dies geschah in etwa 15 Prozent der Studien. Das ist wichtig, denn diese Art von Instabilitäten hätte einen enormen Einfluss auf die Bewohnbarkeit eines Planeten.
VPlanet kam auch zu dem Schluss, dass Proxima b, wenn es in seiner aktuellen Entfernung von seinem Stern entstanden ist, von den Gezeiten erfasst werden muss. Mit anderen Worten, er zeigt seinem Stern ständig dasselbe Gesicht wie der Mond der Erde. Das würde eine Seite des Planeten kochend heiß machen, während die andere eiskalt ist. Das wäre für das Leben ungeeignet.
Es gibt jedoch eine Einschränkung. Wenn die Atmosphäre des Planeten dick genug ist, um Wärme effektiv um den Planeten zu transportieren, wäre die Temperatur viel angenehmer und Proxima b könnte immer noch bewohnbar sein, während die Gezeiten eingeschlossen sind.
Natürlich kann der Planet von irgendwo anders in seine aktuelle Entfernung gewandert sein, in diesem Fall wäre er nicht gezeitengebunden.
Der Zustand der Atmosphäre von Proxima b ist ein weiteres wichtiges Anliegen. In dieser Hinsicht simuliert VPlanet viele potenzielle Szenarien, ausgehend von der Annahme, dass der Planet zu Beginn seines Lebens mit einer reichlichen Wasserversorgung begann, die mehrmals so groß ist wie die der Erde. Unter diesen Bedingungen sagt VPlanet voraus, dass das meiste Wasser zerfällt und der entstehende Wasserstoff in den Weltraum entweicht. Wenn sich Proxima b mit weniger als dem zehnfachen Wassergehalt der Erde gebildet hat und/oder einen anhaltend konvektiven, reduzierenden Magmaozean hatte, ist es heute wahrscheinlich ausgetrocknet, sagt das Team.
Es gibt noch eine andere Möglichkeit – dass Proxima b eine Wasserstoffhülle hatte, die in den Weltraum entweicht, während Wasser auf der Oberfläche erhalten bleibt. In diesem Fall wäre Proxima b heute bewohnbar, obwohl Barnes und Co. nicht beziffern können, wie wahrscheinlich das ist.
Kurz gesagt, VPlanet schlägt vor, dass Proxima b derzeit in einer Vielzahl möglicher Zustände existieren könnte, von denen einige das Leben unterstützen könnten, während andere dies nicht tun würden. Barnes und Co. schließen daraus, dass Proxima b Venus-ähnlich, ausgetrocknet, heiß und lebensunfähig sein könnte; es könnte Neptun-ähnlich sein, umgeben von einer Hülle aus Wasserstoff, die die Oberfläche zu heiß machen würde, um bewohnbar zu sein.
VPlanet sagt auch voraus, dass Proxima b so reich an Sauerstoff sein könnte, dass dies die Entwicklung von Leben verhindert hätte – Sauerstoff ist natürlich sehr reaktiv und ein starkes Oxidationsmittel.
Aber die aufregendste Vorhersage ist, dass Proxima b erdähnlich ist mit flüssigem Wasser und einer Atmosphäre, die dem Leben förderlich ist. In diesem Fall, sagen Barnes und Co., würde es wie ein blassvioletter Punkt aussehen, wenn wir es endlich beobachten.
Das ist ein wenig überraschend, wenn man bedenkt, dass sein Mutterstern ein Roter Zwerg ist, sich aber nicht so sehr von der Erscheinung der Erde als ein hellblauer Punkt unterscheidet, sollte jemand auf Proxima b in diese Richtung schauen.
Was Astrobiologen jetzt brauchen, sind natürlich mehr Daten. Proxima b wird sicherlich der am besten untersuchte Planet außerhalb unseres Sonnensystems werden. Die nächste Generation von Weltraumteleskopen wird das dringend benötigte Licht auf die Angelegenheit werfen. Die gesammelten Daten werden dazu beitragen, die Bandbreite möglicher evolutionärer Bahnen einzugrenzen, die Proxima b genommen haben könnte.
Die wichtigsten dieser Observatorien sind das James Webb Space Telescope, das 2018 starten soll, und das Wide Field Infrared Survey Telescope, das Mitte der 2020er Jahre starten soll. Die nächste Generation von bodengestützten Teleskopen, die einen Durchmesser von mehr als 30 Metern haben werden, sollte auch in der Lage sein, einen Blick auf den Zwilling der Erde zu erhaschen.
Diese Instrumente werden in der Lage sein, spektrografische Untersuchungen der Atmosphäre von Proxima b durchzuführen und nach Hinweisen auf Sauerstoff, Methan, Kohlendioxid und Wasserstoff zu suchen. Das könnte einen Hinweis darauf geben, ob dort lebensfreundliche Bedingungen herrschen. Eines Tages könnte die Erde sogar mit der Nachricht aufwachen, dass Astronomen Meeresglimmer entdeckt haben – Sternenlicht, das vom Meerwasser reflektiert wird, während sich der Planet dreht. Was für ein aufregender Moment das wäre.
Ref: arxiv.org/abs/1608.06919 : Die Bewohnbarkeit von Proxima Centauri b I: Evolutionäre Szenarien; arxiv.org/abs/1608.08620 : Die Bewohnbarkeit von Proxima Centauri b II: Umweltzustände und beobachtbare Diskriminanten