4,2 Lichtjahre entfernt: Auf dem Planeten Proxima Centauri b könnten Organismen leben

Wasser, wohin man schaut: Das gilt nicht nur für die Küsten und Inseln der Erde, sondern auch beim Blick ins All. Denn Wasserplaneten sind in der Milchstraße mit hoher Wahrscheinlichkeit sehr häufig. Dies fand eine Forschergruppe um den Planetologen Li Zeng von der US-amerikanischen Harvard University anhand der Daten von über 4000 Exoplaneten heraus, die das Kepler-Weltraumteleskop der US-Raumfahrtbehörde Nasa sowie die europäische Raumsonde Gaia zur Erde gesandt hatten.

Zunächst entwickelten Zeng und seine Kollegen ein Modell, das die Masse eines Planeten in Beziehung zu seinem Durchmesser setzt. Daraus lässt sich die Dichte der fernen Welten abschätzen, was wiederum Rückschlüsse auf deren chemische Zusammensetzung erlaubt. „Die Schönheit des Modells liegt darin, dass es den Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung und den anderen Größen herstellt, die wir von diesen Planeten kennen“, erklärte Zeng, der seine Studie bei jüngst bei der sogenannten Goldschmidt-Konferenz für Geochemie in Boston vorstellte.

Überraschend viele Wasserwelten

Den Modellrechnungen zufolge sind Trabanten, die 1,5 oder weniger Erdmassen aufweisen, meist Gesteinsplaneten wie die Erde. Mittelgroße Welten von zwei bis vier Erdmassen enthalten dagegen sehr viel Wasser, das bis zu 50 Prozent ihrer Masse ausmachen kann (bei der Erde sind es gerade 0,2 Prozent). „Unsere Daten legen nahe, dass rund 35 Prozent aller bekannten Exoplaneten, die größer sind als die Erde, sehr wasserreich sein sollten“, so Zeng.

„Es war eine große Überraschung zu sehen, dass es so viele Wasserwelten geben muss.“ Das Internetportal „exoplanet.eu" nennt aktuell 3851 Trabanten, die in 2871 Sternsystemen kreisen. Planeten in der nächsten Größenklasse, die dem Neptun in unserem System entsprechen, bestehen demgegenüber hauptsächlich aus Gas.

40 Lichtjahre entfernt 7 Planeten mit Wasser

Tatsächlich konnten Astronomen schon eine Reihe von Wasserwelten identifizieren. Ein besonderer Coup gelang dabei einer Gruppe um den Astrophysiker Simon Grimm von der Universität Bern, als sie das 40 Lichtjahre entfernte System des Sterns TRAPPIST-1 mittels Computermodellen untersuchte. Um die kleine Rote Zwergsonne kreisen gleich sieben Planeten.

Sie alle liegen in der Lebenszone, in der die Temperatur so beschaffen ist, dass Wasser flüssig vorliegt. Auch Grimm und seine Kollegen ermittelten die Dichte der Trabanten. Wie sich zeigte, gleichen sie insofern der Erde, als sie einen festen Gesteinskern haben, den eine Atmosphäre umgibt.

Teilweise 250-mal mehr Wasser als in unseren Ozeanen

Bei der Datenauswertung erlebten die Forscher dann eine Überraschung: Einige der Trabanten könnten aus bis zu fünf Prozent flüssigem Wasser bestehen. Damit enthielten sie bis zu 250-mal mehr von dem Nass als in den irdischen Ozeanen schwappt. Insgesamt liegt die Dichte der TRAPPIST-1-Trabanten bei 0,6- bis 1,0fachen des irdischen Werts, wie die Gruppe im Fachmagazin „Astronomy & Astrophysics“ schreibt.

Allerdings unterscheiden sich die Planeten in einigen Aspekten. So dürften sich über den inneren Trabanten TRAPPIST-1b und c über dem felsigen Kern Gashüllen erstrecken, die dichter sind als die Erdatmosphäre und viel Wasserdampf enthalten. Denn beide Welten kreisen nahe an ihrem Stern und werden von dessen Strahlung entsprechend stark aufgeheizt.

TRAPPIST-1e der erdähnlichste Exoplanet

Der dritte Planet TRAPPIST-1d ist mit gerade 30 Prozent der Erdmasse der leichteste des Septetts. Das weist auf eine sehr ausgedehnte Atmosphäre oder große Ozeane hin, die ihn bedecken. Die äußeren Welten TRAPPIST-1f, g und h kreisen so weit vom Stern entfernt, dass ihr Wasser wohl zu einer dicken Eisschicht erstarrte, über der eine dünne Atmosphäre liegt.

Bleibt TRAPPIST-1e, der seine Bahn in der Mitte des Systems zieht. Er sei „hinsichtlich Masse, Radius und der vom Stern eingestrahlten Energie der erdähnlichste Exoplanet“, urteilt Studienhauptautor Grimm. Ihre Ergebnisse würden indes keine direkten Aussagen über die Bewohnbarkeit des Systems erlauben, betonen die Forscher. Dazu müssten sie die Verhältnisse dort noch genauer kennen.

Wasser unterscheidet sich von dem auf der Erde

Auf den ersten Blick mögen die Wasserwelten lebensfreundlich erscheinen. Schließlich bevölkerten die irdischen Organismen rund drei Milliarden Jahre lang die Weltmeere, bevor ihnen der Sprung an Land gelang. Doch so einfach liegen die Dinge nicht. „Es handelt sich nicht einfach um überflutete Versionen einer aufgepumpten Erde“, konstatiert Zeng. „Sie haben zwar Wasser, aber es unterscheidet sich von dem auf unserem Planeten.“  

Sternaktivität beeinflusst Temperatur auf Planeten

Kühlt sich dessen Atmosphäre ab, etwa weil die Aktivität seines Sterns abnimmt, wird auch das Meer kühler und nimmt in der Folge mehr CO2 auf. Dann kommt ein Teufelskreis in Gang: Der Ozean schluckt immer mehr von dem Treibhausgas und kühlt so die Atmosphäre zusätzlich. Schließlich ist eine Eiswelt entstanden. Umgekehrt kann sich auch eine Erwärmung aufschaukeln.

Liegt der Orbit eines Wasserplaneten sehr nah an seinem Stern, wie es bei den inneren TRAPPIST-1-Trabanten der Fall ist, könnte sich dass Nass so sehr aufheizen, dass es „überkritisch“ wird und in die Gasphase übergeht. Dann gäbe es keine definierte Wasseroberfläche mehr, und die Temperatur stiege durch einen überstarken Treibhauseffekt auf einige hundert Grad Celsius, was alles Leben auslöschen würde.

Auf Proxima Centauri b könnten Organismen existieren

Womöglich ist aber der Trabant besiedelt, der unserer Erde am nächsten liegt. Er umkreist unseren direkten Nachbarn im All, den 4,2 Lichtjahre entfernten Stern Proxima Centauri. Auch dieser ist ein kleiner Roter Zwerg. Sein Trabant Proxima Centauri b, der 2016 entdeckt wurde, liegt in der Lebenszone und vollendet einen Umlauf auf einer sehr engen Bahn in jeweils elf Tagen. Mit 1,3 Erdmassen ist er unserer Heimatwelt recht ähnlich. Deshalb wurde schon früh die Frage diskutiert, ob er Leben tragen könnte.

Jetzt geben Computersimulationen eine Antwort: Ja, auf  Proxima Centauri b könnten Organismen existieren. Allerdings erschien dies zunächst unwahrscheinlich. Denn Trabanten, die nahe an ihrem Stern kreisen, drehen sich in einer „gebundenen Rotation“: Die Schwerkraft ihres Zentralgestirns bremst ihre Eigendrehung, bis sie während einer Umkreisung gerade noch einmal um ihre Achse rotieren. Ein Tag dort entspricht also einem Planetenjahr.

Proxima Centauri b wendet seinem Stern vermutlich dauerhaft eine Seite zu

Solche Himmelskörper wenden ihrem Stern – wie der Mond der Erde – stets die gleiche Seite zu. Auf ihrer Tagseite steht eine riesige, rötlich glimmende Sonne am Firmament, die niemals untergeht. Gegenüber, auf der Nachtseite, herrscht dagegen immerwährende Finsternis. Entsprechend ist es auf der Sonnenseite sehr heiß und auf der Rückseite sehr kalt, wobei der Druck- und Temperaturausgleich über starke Winde erfolgt.

Ähnliche Zustände vermuteten die Astronomen zunächst auch bei Proxima Centauri b, wobei sie voraussetzten, dass der Trabant eine Atmosphäre und einen Ozean besitzt. Dann sollte dessen Wasser auf der dem Stern zugewandten Seite kochend heiß, auf der Rückseite jedoch gefroren sein. Nur im Bereich zwischen beiden Hemisphäre könnte es einen Ring aus angenehm temperiertem Wasser geben.

"Die Chancen stehen gut, dass Proxima Centauri b bewohnbar ist“

Als der Planetologe Anthony Del Genio vom Goddard Institute for Space Studies der Nasa in New York die Verhältnisse auf dem Planeten umfassender simulierte, ergab sich jedoch ein anderes Bild, wie er mit seinen Kollegen im Fachjournal „Astrobiologie“ berichtet.

Für ihre Studie nutzte die Gruppe Computermodelle, die sonst zur Simulation des Erdklimas dienen. Diese schlossen Luftbewegungen und einen dynamischen Ozean mit einem Strömungssystem ein, das Wärme von der heißen zur kalten Seite des Trabanten transportiert. Am Ende stellte sich wieder ein Band aus flüssigem warmem Wasser in der Äquatorregion ein, doch es erwies sich als viel größer als zuvor gedacht und erstreckte sich über weite Teile der Planetenoberfläche. „Die wichtigste Botschaft unserer Simulationen ist: Die Chancen stehen gut, dass Proxima Centauri b bewohnbar ist“, resümiert Del Genio.

Weitere Analysen zu Proxima Centauri b 2021

Jetzt erhoffen sich die Forscher von der nächsten Generation von irdischen und Weltraumteleskopen mehr Erkenntnisse über die Wasserwelten. Der „Transiting Exoplanet Survey Satellite“ (TESS) der Nasa, der im vergangenen April ins All flog, könnte viele solcher Planeten aufspüren.

Zudem soll das James Webb Space Telescope, dessen Start die Nasa für 2021 plant, mittels Spektralanalysen Details über deren Atmosphären herausfinden, und das in Bau befindliche Extremely Large Telescope soll insbesondere Proxima Centauri b unter die Lupe nehmen. Dann wüssten die Astrobiologen besser, ob Leben auf diesen Himmelskörpern möglich ist und wo die Chancen am besten sind, es eines Tages zu finden.