Ausschlussverfahren hilft bei der Suche nach erdähnlichen Planeten

Derzeit werden weltweit umfangreiche Beobachtungsprogramme entwickelt, um Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems zu finden, die allenfalls Leben beherbergen könnten – eine schier unlösbare Aufgabe. «Die Frage, ob ein sogenannter Exoplanet bewohnbar ist oder nicht, ist sehr komplex, da nicht alle dafür notwendigen Bedingungen bekannt sind», sagt Yann Alibert vom Center for Space and Habitability (CSH) der Universität Bern.

Darum ging der Berner Forscher bei einer im Journal «Astronomy & Astrophysics» publizierten Studie den umgekehrten Weg: Anhand der Masse und des Radius eines Planeten ermittelte er Kriterien, welche die Existenz von Leben, wie wir es kennen, garantiert ausschliessen. Daten über die Masse eines Exoplaneten liefert etwa der von den Universitäten Genf und Bern mit weiteren Partnern entwickelte HARPS-Spektrograph in Chile. Und ab 2017 wird auch das ESA-Weltraumteleskop CHEOPS, welches unter der Federführung des CSH entwickelt und gebaut wird, den Radius ausgewählter Planeten gezielt bestimmen können.

Dank der Methode von Yann Alibert kann unter anderem aus den Daten von HARPS und CHEOPS geschlossen werden, welche Planeten die Grundbedingungen für Leben nicht erfüllen. «Dieses Ausschlussverfahren wird den Astronomen helfen, sich bei künftigen Suchen nach erdähnlichen Welten auf die aussichtsreichsten Kandidaten zu konzentrieren», sagt Alibert.

Kein Leben ohne flüssiges Wasser und Kohlenstoff-Zyklus

Die Grundlage für das Ausschlussverfahren bilden zwei Bedingungen, ohne die bekanntermassen kein Leben möglich ist: Auf dem Planeten muss es flüssiges Wasser geben sowie einen sogenannten Kohlenstoff- oder C-Zyklus (Carbon-Zyklus).

Als C-Zyklus wird der geologische Prozess bezeichnet, mit dem der CO2-Haushalt der Atmosphäre und damit die Temperatur auf der Planetenoberfläche reguliert wird: In Ozeanen gelöstes Kohlendioxid geht chemische Verbindungen ein und wird in die heissen Tiefen des Erdmantels transportiert. Dort wird es infolge der enormen Hitze wieder freigesetzt. Bei Vulkanausbrüchen wird das Gas an die Planetenoberfläche geschleudert und gelangt damit erneut in die Atmosphäre und in das Wasser.

Exotisches Eis macht Planeten lebensfeindlich

Wenn aber ein Planet mit einer gegebenen Masse einen sehr grossen Radius aufweist, hat er eine geringe Dichte. Infolgedessen gibt es keinen C-Zyklus oder kein flüssiges Wasser. Der Grund: Eine geringe Dichte bedeutet, dass der Himmelskörper aus viel Gas oder/und Wasser besteht. Weist der Planet viel Gas auf, steigt der atmosphärische Druck auf der Oberfläche unter Umständen so stark an, dass das Wasser nicht flüssig sein kann.

Decken hingegen enorme Wassermengen den Planeten, steigt der Druck am Grund des Ozeans so stark an, dass Wasser dort in Form von «Eis VII» vorkommt. Dieses existiert auf der Erde nicht. Es hat eine derart hohe Dichte, dass es sich auf dem Meeresboden ablagert. Dort bildet es eine Barriere zwischen dem Gestein am Meeresgrund und dem Wasser darüber – und unterbindet so den C-Zyklus. «Unsere Studie zeigt, dass auf einem Planeten, der aus viel Gas oder viel Wasser besteht, Leben nicht existieren kann», erklärt Yann Alibert.

Die meisten «Super-Erden» sind zu gross für Leben

Der grösste Radius, bei dem ein C-Zyklus und flüssiges Wasser noch vorhanden sein können, hängt von der Masse des Planeten ab: Ein Planet, der die gleiche Masse hat wie die Erde, darf bis zu 1,7 Erdradien gross sein; Gas- und Wasserhülle inklusive. Und eine «Super-Erde» mit einer 12-fachen Erdmasse darf einen bis zu 2,2 fachen Erdradius aufweisen. Bisher wurden jedoch hauptsächlich noch grössere Exoplaneten entdeckt, wie Alibert sagt. Dank der hohen Empfindlichkeit von CHEOPS sollten indes bald auch kleinere, vielversprechendere Planeten angepeilt werden können.

Angaben zur Studie:

Yann Alibert: On the radius of habitable planets, Astronomy & Astrophysics, November 2013, oder: arXiv:1311.3039v1