Sind wir alleine im Universum? Eine der grundlegendsten Fragen der Menschheit geht zurück auf eine Zeit, als die Menschen begannen, Erkenntnisse über sich selbst zu gewinnen und in den Himmel zu schauen. Ströme von Tinte wurden über diese Frage vergossen und unzählige Filme gedreht, die sich der Faszination von außerirdischem Leben widmen. Der erste konkrete Schritt zur Beantwortung der Frage nach Leben jenseits der Erde erfolgte 1995 mit der Entdeckung des Exoplaneten 51 Peg b.
51 Peg b: Die Nummer eins unter den Exoplaneten
Exoplaneten sind Planeten, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen. 51 Peg b ist der erste entdeckte Exoplanet, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist. 2019 bekamen Michel Major und Didier Queloz für diese Entdeckung den Physik-Nobelpreis verliehen. Seitdem ist die Zahl der entdeckten Exoplaneten innerhalb weniger Jahre um das 500-fache angestiegen. Aktuell kennen wir rund 4.500 Planeten - und fast täglich werden neue entdeckt. Darüber hinaus zeigen die bisherigen Beobachtungen, dass Planeten, deren Radius und Masse kleiner sind als die von Neptun, wohl am häufigsten in unserer Galaxie vorkommen. Das ist bemerkenswert, denn bei dieser Gruppe von Planeten ist die Chance, dass auf ihnen lebensfreundliche Bedingungen herrschen oder noch entstehen könnten, am größten.
Lebensfeindliche Welten (als Zoom-Hintergrund)
Seit der Entdeckung der ersten Exoplaneten unternahm und unternimmt die Wissenschaft enorme Anstrengungen, um herauszufinden, auf welche Weise und unter welchen Umständen bewohnbare Bedingungen auf Planeten entstehen. Zusätzlich wurden Technologien entwickelt, um mögliches Leben auf weit entfernten Planeten erkennen zu können. Wissenschafterinnen und Wissenschafter mussten jedoch feststellen, dass die ersten entdeckten Exoplaneten verhältnismäßig groß sind und sehr nahe um ihren Stern kreisen. Beides behindert die Entwicklung von Leben. Tatsächlich verfügt die Mehrheit aller bislang entdeckten Planeten nicht über die Voraussetzungen, die es bräuchte, um Leben möglich zu machen, wie wir es von der Erde kennen.
Wie im Film die Bösewichte sind aber auch im Leben eines Astrophysikers jene Planeten am spannendsten, auf denen die lebensfeindlichsten Bedingungen für uns Menschen herrschen. Ich habe fünf solcher Planeten herausgegriffen, die garantiert kein Leben beherbergen. Die Auswahl erfolgte unter Berücksichtigung einer Reihe von Faktoren, wie zum Beispiel der extremen Temperatur oder Strahlung. Auch wenn die Auswahlkriterien willkürlich erscheinen mögen, zeigen diese Planeten sehr gut die große Bandbreite der schier unglaublichen Bedingungen, die manche Planeten aushalten müssen. Die fünf Planeten sind WASP-12b, KELT-9b, AU Mic b, PSR J1719-1438 b und PSO J 318.5-22. Die Illustrationen dieser Planeten kann man übrigens hochauflösend downloaden und als Zoom-Hintergrund verwenden. Damit zieht man beim nächsten Online-Meeting bestimmt alle Blicke auf sich.
WASP-12b: Das Kannibalismus-Opfer
WASP-12b (circa 1.400 Lichtjahre von uns entfernt) ist ein sogenannter „heißer Jupiter“, also ein Planet, der ungefähr die Größe und Masse von Jupiter hat, sich aber sehr nah an seinem Stern befindet. Er umrundet in nur etwa einem Tag einen Stern, der massereicher und heißer als die Sonne ist. Tatsächlich hat der Bereich der Sonne, der das Licht, das wir mit unseren Augen sehen, ins All abstrahlt (im Fachjargon Photosphäre genannt) eine Temperatur von etwa 5.500 Grad Celsius, während die Photosphäre von WASP-12, dem Mutterstern von WASP-12b, etwa 6.000 Grad Celsius hat. Aufgrund der Nähe zu seinem Stern, herrschen auf dem Planeten Temperaturen um die 2.000 Grad. Der Abstand zwischen WASP-12b und der Photosphäre seines Sterns beträgt nur einen Sterndurchmesser. Bei Planeten, die so nah um ihren Stern kreisen wie WASP-12b, ist ein Tag gleich lang wie ein Jahr. Das bedeutet, dass der Planet dem Stern immer die gleiche Seite zuwendet, ähnlich wie der Mond der Erde.
Viele heiße Jupiter haben Temperaturen um die 2.000 Grad oder höher, aber WASP-12b hat eine Besonderheit, die viele andere nicht teilen: Er hat einen relativ großen Radius für seine Masse, was bedeutet, dass seine Schwerkraft gering ist. Zusammen mit dem geringen Abstand zu einem ziemlich schweren Stern führt das dazu, dass der Planet die Form eines Eies annimmt, wobei die "spitze Seite" dem Stern zugewandt ist. Das kennen wir zwar auch von anderen heißen Jupitern, aber die Verzerrung ist bei WASP-12b extrem: er ist fast doppelt so lang wie breit. Die geringe Schwerkraft und die hohe Temperatur des Planeten führen zusammen mit der Form der Atmosphäre zu einem starken und kontinuierlichen Gasfluss vom unteren in den oberen Teil der Atmosphäre, wo das Gas ausgestoßen und von der Schwerkraft des nahen Muttersterns eingefangen wird. Während der Planet also um den Stern kreist, verliert er kontinuierlich Gas an ihn. Stellt man sich diesen Vorgang auf der Erde vor, wäre das so, als würde die Luft, die wir atmen, ständig nach oben strömen, mit hoher Geschwindigkeit ins All geschleudert und von der Sonne aufgesaugt werden. Der Stern WASP-12 ist so groß, dass er kaum bemerkt, dass er gerade dabei ist, sich seinen Planeten einzuverleiben. Am Ende wird von WASP-12b keine Spur mehr übrig sein. Definitiv kein Planet, auf dem Leben entstehen könnte und auch nicht die erste Wahl für einen erholsamen Urlaub.
KELT-9b: Die Extremsauna
KELT-9b (circa 650 Lichtjahre von uns entfernt) ist der bei weitem heißeste Planet, den wir bisher kennen und der Namensgeber für eine Kategorie von Planeten, die Astrophysiker/innen – zugegeben mit nicht allzu viel Fantasie – „ultraheiße Jupiter“ nennen. Gemeint sind damit heiße Jupiter mit Temperaturen über 2.000 Grad. KELT-9b hat eine Temperatur von fast 5.000 Grad – das ist rund 2000 Grad heißer als der zweitheißeste Planet, den wir kennen und sogar heißer als die Photosphäre vieler Sterne. Wie kann es sein, dass ein Planet so extreme Temperaturen erreicht? Der Grund ist, dass der Planet sehr nahe (mit einer Periode von nur etwa 1,5 Tagen) um einen Stern kreist, der mehr als doppelt so schwer wie unsere Sonne und fast doppelt so heiß ist. Die Photosphäre von KELT-9, dem Mutterstern, hat eine Temperatur von unglaublichen 10.000 Grad Celsius!
Wie alle heißen Jupiter wendet auch dieser Planet seinem Stern immer dieselbe Seite zu. Außerdem bringen starke Winde das heiße Gas von der Tagseite auf die Nachtseite und umgekehrt. Bei klassischen heißen Jupitern lässt die nicht zu extreme Temperatur auf der Tagseite das Gas auf der Nachtseite abkühlen, was sogar zur Bildung von Wolken führt. Nicht so bei KELT-9b. Die Temperaturen auf seiner Tagseite sind so unglaublich hoch, dass selbst die Nachtseite, die nie dem Sternenlicht ausgesetzt ist, nicht auf Temperaturen unter 2.500 Grad abkühlen kann. Leben hätte hier also nicht die geringste Chance.
Ähnlich wie WASP-12b ist auch KELT-9b eiförmig, allerdings nicht so extrem, da KELT-9b zwar gleich groß, aber doppelt so schwer ist. Dadurch hat er auch eine größere Schwerkraft und ist weiter von seinem Stern entfernt. KELT-9b verliert zwar auch seine Atmosphäre in einem ziemlich rasanten Tempo, aber höchstwahrscheinlich wird sie nicht vollständig verbraucht sein, bevor der Stern den Planeten innerhalb der nächsten hundert Millionen Jahre verschlingen wird. Das wird passieren, weil der Stern immer größer und größer wird, bis er KELT-9b verschluckt. Das Schicksal des Planeten? Er wird ins Innere des Sterns gezogen, wo er in Stücke zerrissen wird und am Ende verdampft.
AU Mic b: Gefährlicher Leuchtturm
AU Mic b (circa 30 Lichtjahre von uns entfernt) ist eine sogenannte Super-Erde, also ein Planet, der typischerweise weniger als die zehnfache Masse der Erde hat und ein bisschen größer als sie ist. AU Mic b umkreist seinen Mutterstern AU Mic in etwa acht Tagen. Der Stern ist nur halb so schwer wie die Sonne und seine Photosphäre hat eine Temperatur von rund 3.500 Grad Celsius. Das ist schon deutlich kühler als die Sonne. Was dieses Planetensystem so speziell macht, ist sein junges Alter von nur ungefähr 20 Millionen Jahren – ein Wimpernschlag verglichen mit den mehreren tausend Millionen Jahren, die diese Sterne leben.
Sterne sind uns Menschen sehr ähnlich: In ihrer Jugend sind sie aktiv und voller Energie, im Alter werden sie ruhiger. Junge, aktive Sterne erzeugen sehr oft und zu beliebigen Zeiten Eruptionen und Explosionen. Dabei werden Gaspartikel und extrem intensive Röntgenstrahlung in den Weltraum geschleudert. Auch die Sonne produziert solche Auswürfe, die zu Ausfällen in der Telekommunikation führen, wenn sie die Erde erreichen. Allerdings sind die Auswürfe der Sonne viel schwächer und seltener.
AU Mic ist im Gegensatz zur Erde nicht durch ein Magnetfeld geschützt. Dadurch dringen die vom Stern während einer Eruption ausgestoßenen Teilchen tief in die Planetenatmosphäre ein und reißen einen Teil des Gases, aus dem die Atmosphäre besteht, mit sich. Die Röntgenstrahlung heizt unterdessen den oberen Teil der Atmosphäre auf, der sich dann ausdehnt und ins All entweicht. So verliert der Planet langsam seine Atmosphäre. Das muss aber nicht notwendigerweise schlecht für die Entwicklung von Leben sein. Als weitere Folge werden die Moleküle, auf die die Röntgenstrahlung trifft, gespalten, also zerstört. Wenn jetzt molekulare Bindungen, wie die, die unsere DNA zusammenhalten, auf dem Planeten entstehen könnten, würden diese jedes Mal auseinanderbrechen, wenn eine Eruption auf der dem Planeten zugewandten Seite seines Sterns stattfindet, also alle paar Stunden.
Praktisch jeder Planet, auch die Erde, hat einmal die Phase durchlaufen, in der sich AU Mic b jetzt befindet, weil jeder sonnenähnliche Stern einmal jung und damit aktiver war. AU Mic b ist trotzdem ein Spezialfall. Die Aktivität junger Sterne beeinflusst die Beobachtungsdaten und macht es uns sehr schwer, junge Planeten zu finden. AU Mic b ist einer der ganz wenigen, die wir kennen, und noch dazu ist er uns sehr nahe.
Man vermutet, dass die meisten Planeten mit einer großen Atmosphäre geboren werden, die hauptsächlich aus Wasserstoff besteht. Wasserstoff ist ein extrem effizientes Treibhausgas, das jede Art von Leben quasi unmöglich macht. Durch die hohe Aktivität eines jungen Sterns verlieren Planeten ihre Wasserstoff-Atmosphäre. Das wiederum schafft Platz für eine mögliche komplexere Atmosphäre, die eventuell auch lebensfreundlicher sein kann.
PSR J1719-1438 b: Der Grillmeister
Die bisher beschriebenen Planeten sind definitiv alles andere als lebensfreundlich und besitzen ziemlich verrückte Eigenschaften, generell sind sie aber relativ "normal". PSR J1719-1438 b (~3.900 Lichtjahre von uns entfernt) ist jedoch alles andere als "normal". Er ist massereicher als Jupiter und kreist in etwas mehr als zwei Stunden um einen Neutronenstern. Neutronensterne sind das, was nach Supernova-Explosionen von Sternen mit einer Masse von mehr als dem achtfachen der Sonne übrigbleibt. Dabei handelt es sich um die stärksten Explosionen, die in der Natur vorkommen. Neutronensterne bestehen zudem aus der zweitdichtesten Materie, die wir kennen. Nur Schwarze Löcher sind noch dichter. Der Mutterstern von PSR J1719-1438 b ist etwas massenreicher als unsere Sonne, aber nur ungefähr vier Mal so groß wie die Erde. Wenn man sich einen Würfel mit der Seitenlänge von einem Zentimeter vorstellt, der aus Neutronensternmaterie besteht, würde dieser 30 Kilogramm wiegen. Im Vergleich dazu wiegt ein gleich großer Würfel aus dem dichtesten Element der Erde, Osmium, nur etwa 22 Gramm.
Warum ist ein solcher Planet nun kein Kandidat für Leben? Zunächst emittiert ein Neutronenstern nur eine vernachlässigbare Menge an optischem und infrarotem Licht, also jenem Licht, das wir mit unseren Augen sehen und die Erde auf die Temperatur aufwärmt, die sie hat. Unter Bedingungen wie auf PSR J1719-1438 b könnten Pflanzen keine Photosynthese betreiben. Aber selbst wenn es möglich wäre, den Planeten mit ausreichend Licht zu versorgen, zum Beispiel durch Polarlicht, würde die Strahlung, die vom Neutronenstern ausgeht, jede vorhandene Lebensform töten und verdampfen lassen. Neutronensterne emittieren nämlich eine enorme Menge an Röntgenstrahlung, die die Fähigkeit hat, Moleküle zu spalten. Der Stern ist also der perfekte Killer für alles, was lebt und der Planet ist eindeutig zu nah an ihm, um Leben beherbergen zu können.
Wie aber kann es überhaupt sein, dass ein Planet das Überbleibsel einer so gewaltigen Explosion umkreist? Dazu gibt es bisher nur Theorien. Wenn wir davon ausgehen, dass kein Planet in der Nähe einer Supernova intakt bleiben kann, ergeben sich zwei Möglichkeiten. Eine ist, dass der Planet zuvor im Weltraum umherirrte, möglicherweise in den äußeren Gefilden eines anderen Planetensystems, und dann von dem Neutronenstern „eingefangen" wurde und sich seitdem in einer Umlaufbahn befindet. Das würde bedeuten, dass der Planet von einem Zustand, in dem er überhaupt kein oder nur sehr wenig Licht erhalten hat, in einen Zustand übergegangen ist, in dem er eine enorme Menge an Strahlung abbekommt. Was für eine Veränderung! Die andere Möglichkeit wäre, dass sich der Planet nach der Supernova-Explosion gebildet hat, möglicherweise aus dem Material, das der sterbende Stern ausgestoßen hat.
PSO J318.5-22: Der kosmische Einzelgänger
Bis jetzt haben wir uns Planeten angesehen, auf denen vor allem wegen der Charakteristika ihrer Muttersterne und/oder ihrer Umlaufbahnen kein Leben möglich ist. Im Fall von PSO J318.5-22 (circa 80 Lichtjahre von uns entfernt) ist das anders: Dieser Planet ist deshalb nicht für Leben geeignet, weil er gar keinen Stern hat. PSO J318.5-22 ist ein sogenannter vagabundierender Planet, also ein Planet, der im Weltraum umherwandert, ohne einen Stern zu umkreisen. Er ist ein junger Planet. Junge Planeten schrumpfen noch in ihrer Größe, sie ziehen sich zusammen, und das führt dazu, dass sich ihre Kerntemperatur erhöht und Infrarotlicht ausgesendet wird.
PSO J318.5-22 hat ungefähr sechs Mal mehr Masse als Jupiter und ist eineinhalb Mal größer. Wegen der Hitze aus dem Inneren ist der Teil der Planetenatmosphäre, der Licht aussendet, rund 500 Grad Celsius heiß. Anders aber als bei Planeten, die von einem Sternbeleuchtet werden, nimmt die Temperatur mit zunehmender Höhe dramatisch ab, bis sie die frostige Kälte des Alls erreicht. Die ewige Nacht, zu der dieser Planet verdammt ist, macht ihn auch nicht gerade zu einem lebensfreundlichen Ort.
Zum Abschluss noch eine Kuriosität: der Name des letzten Planeten endet im Gegensatz zu den anderen nicht mit einem Buchstaben, zum Beispiel “b”. Das liegt an der Namensgebung von Sternen und Exoplaneten. Jeder Stern, den wir kennen, bekommt einen Namen zugewiesen, typischerweise ist das eine kurze Kombination aus Buchstaben und Zahlen, die entweder für einen Katalog oder eine Institution stehen, die ihn entdeckt hat. Darauf folgt eine Zahl, die entweder die Position des Sterns im Katalog oder seine ungefähren Koordinaten am Himmel angibt. Zusätzlich haben sehr helle Sterne auch einen Eigennamen, der aber nur bei sehr wenigen verwendet wird und/oder einen Namen, der auf das Sternbild verweist, in dem sie sich befinden.
Planeten tragen den Namen ihres Muttersterns, gefolgt vom Buchstaben „b“ für den ersten entdeckten Planeten in diesem System beziehungsweise den Planeten, der dem Stern am nächsten ist. Für weitere Planeten nimmt man die restlichen Buchstaben des Alphabets. PSO J318.5-22 hat also keinen Buchstaben am Ende seines Namens, weil er gar keinen Stern hat, von dem er seinen Namen hätte übernehmen können. (Luca Fossati, 26.2.2021)
Luca Fossati studierte Physik an der Universität Pavia, Italien. Nach einem Aufenthalt am European Southern Observatory in Chile kam er nach Österreich, wo er 2009 an der Universität Wien in Astrophysik promovierte. Danach verbrachte er einige Jahre an der Open University in Großbritannien und der Universität Bonn, Deutschland, wo er ein Humboldt-Stipendium erhielt. Seit 2015 leitet er die Exoplaneten-Forschungsgruppe am Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Er ist Mitglied im Wissenschaftsteam der Missionen Cheops (Esa), Cute (Nasa) und Escape (Nasa) und an den Esa-Missionen Plato und Ariel sowie der Entwicklung von Nasa-Weltraumteleskopen beteiligt.
Links
- Institut für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
- Best of Böse der Planeten zum Downloaden
- IWF, ÖAW, CHEOPS, PLATO, Ariel, CUTE (Twitter)
- ÖAW, Friends of IWF Graz (Facebook)
- Austria in Space
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