München (Deutschland) – Eine neue Studie zeigt: Dichte Atmosphären aus Wasserstoff könnten auch auf fernen Exomonden um sternenlose Einzelgängerplaneten Wasserozeane über Jahrmilliarden lebensfreundlich halten.
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Wie ein Forschungsteam um David Dahlbüdding des Exzellenzclusters „Origins“ an der an der Ludwigs-Maximilians-Universität in München und Dieter Braun vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) aktuell im Fachjournal „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ (DOI: 10.1093/mnras/stag243) berichten, benötige es neben einer dichten Wasserstoffatmosphäre auch ausreichend innere Wärme, die durch die auf diese Monde einwirkenden Gezeitenkräfte ihrer Planeten entsteht. Auf diese Weise könnten entsprechende Wasserozeane bis zu 4,3 Milliarden Jahre lang flüssig gehalten werden. Das entspricht in etwa dem Alter unserer eigenen Erde. „Ausreichend Zeit, damit sich komplexes Leben entwickelt“, so die Forschenden.
Einzelgängerplaneten und Monde
„Planetensysteme entstehen in ihrer frühen Phase oft unter instabilen Bedingungen. Kommen sich junge Planeten zu nahe, können sie sich gegenseitig aus ihrer Umlaufbahn schleudern“, erläutert die LMU-Pressemitteilung. „Zurück bleiben sogenannte freifliegende Planeten (Free-Floating Planets, FFP), die ohne Stern durch die Galaxie wandern.“ Schon in früheren Studien konnten LMU-Forschende um die Physikerin Dr. Giulia Roccetti zeigen, dass solche ausgestoßenen Gasriesen dabei nicht zwangsläufig alle ihre Monde verlieren.
Allerdings verändere ein solcher Rauswurf die Umlaufbahnen der Monde. Waren die Umlaufbahnen zuvor eher kreisrund, so umkreisen die Monde ihre Planeten fortan auf stark elliptisch gestauchten Bahnen, sodass sich ihr Abstand zum Planeten ständig verändert. Die so erzeugten sog. Gezeitenkräfte verformen den Körper des Mondes rhythmisch, pressen sein Inneres zusammen und erzeugen durch die entstehende Reibung Wärme. Diese kann dann ausreichen, um auf der Oberfläche flüssige Wasserozeane entstehen zu lassen und sogar langfristig zu erhalten, auch wenn keine externe Energie eines Sterns den Mond im kalten interstellaren Raum erwärmt.
„Ob diese Wärme an der Oberfläche erhalten bleibt, entscheidet die Atmosphäre“, so die Forschenden. „Kohlendioxid wirkt auf der Erde als effektives Treibhausgas. Frühere Studien zeigten, dass Kohlendioxid auf Exomonden lebensfreundliche Bedingungen über Zeiträume von bis zu 1,6 Milliarden Jahren stabilisieren könnte. Unter den extrem niedrigen Temperaturen freifliegender Systeme würde Kohlendioxid jedoch kondensieren, sodass die Atmosphäre ihre Schutzwirkung verliert und Wärme entweichen kann.“
Das Forschungsteam aus den Bereichen Astro- und Biophysik sowie Astrochemie untersuchte deshalb wasserstoffreiche Atmosphären als alternative Wärmespeicher. „Molekularer Wasserstoff ist zwar für Infrarotstrahlung weitgehend transparent. Unter hohem Druck tritt jedoch ein entscheidender physikalischer Effekt auf: die kollisionsinduzierte Absorption. Dabei bilden kollidierende Wasserstoffmoleküle kurzzeitig Komplexe, die Wärmestrahlung aufnehmen und in der Atmosphäre zurückhalten können. Gleichzeitig bleibt Wasserstoff selbst bei sehr niedrigen Temperaturen stabil.“
Parallelen zur frühen Erde
Die Ergebnisse liefern zudem neue Hinweise auf die Entstehung von Leben. „Die Zusammenarbeit mit dem Team von Professor Dieter Braun hat uns geholfen, zu erkennen, dass die Wiege des Lebens nicht unbedingt eine Sonne benötigt“, sagt David Dahlbüdding, Doktorand an der LMU und Erstautor der Studie. „Wir haben eine klare Verbindung zwischen diesen fernen Monden und der frühen Erde entdeckt, wo hohe Wasserstoffkonzentrationen durch Asteroideneinschläge die Voraussetzungen für Leben geschaffen haben könnten.“
Die beschriebenen Gezeitenkräfte könnten dabei nicht nur die notwendige Wärme liefern, sondern auch chemische Entwicklungsprozesse antreiben. „Durch die periodische Verformung entstehen lokale Nass-Trocken-Zyklen, bei denen Wasser verdunstet und erneut kondensiert. Solche Zyklen gelten als wichtiger Mechanismus für die Bildung komplexer Moleküle und könnten entscheidende Schritte auf dem Weg zur Entstehung von Leben ermöglichen.“
Freifliegende Planeten gelten als häufig. Schätzungen zufolge könnte es in der Milchstraße mindestens so viele dieser auch als „Rogue-Planets“ bezeichneten Welten geben wie Sterne. „Ihre Monde könnten daher langfristig stabile Lebensräume darstellen. Die neuen Ergebnisse erweitern damit das Spektrum möglicher lebensfreundlicher Umgebungen erheblich – und zeigen, dass Leben möglicherweise selbst in den dunkelsten Regionen der Galaxie entstehen und bestehen kann.“
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Recherchequelle: LMU
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