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Bewohnbare Planeten

Sterne und Weltraum 1/2004, S. 30-36

 

Wo kann es Zwillinge der Erde geben?

Das Habitabilitätskonzept und seine Anwendungen

Von Christine Bounama, Werner von Bloh und Siegfried Franck

 

In welchen extrasolaren Planetensystemen unserer Galaxis kann es erdähnliche, bewohnbare Planeten geben? Konnte das Leben durch interstellaren Transport von einem zum anderen erdähnlichen Planeten und schließlich auf unsere Erde gelangen?

Noch vor weniger als zehn Jahren mussten die Planetenforscher mit einem sehr kleinen Datensatz auskommen: den neun Planeten in unserem Sonnensystem. Jetzt aber hat die Planetenjagd Hochkonjunktur. In immer kürzeren Abständen wird die Entdeckung neuer extrasolarer Planetensysteme mit einem oder sogar mehreren Planeten bekannt gegeben – bis heute sind es weit über 100 [10].

Bisher beschränken sich die Neuentdeckungen hauptsächlich auf jupiterähnliche Riesenplaneten oder Braune Zwerge. Der Grund dafür liegt in den gegenwärtigen Grenzen der Beobachtungs- und Nachweistechnik, mit der sich nur die größeren Körper nachweisen lassen. Aber es ist damit zu rechnen, dass in sehr naher Zukunft auch Planeten mit viel geringerer Masse entdeckt werden. Darunter könnten sich Planeten mit Erdmasse befinden. Die Frage, ob es da draußen in der Milchstraße tatsächlich noch eine zweite Erde gibt oder gab, gewinnt unter diesem Gesichtspunkt immer größere Bedeutung.

Das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) beschäftigt sich seit seiner Gründung im Jahre 1992 mit der Erdsystemanalyse [9]. Dabei stehen natürlich vor allem Fragen des globalen Wandels im Vordergrund. Darüber hinaus wird am PIK aber auch Erdsystemanalyse in ihrer ganzen Breite, d.h. auch auf geologischen Zeitskalen betrieben. Mit diesem interdisziplinären Ansatz wurde erstmals die bewohnbare Zone für das Sonnensystem für die Vergangenheit und die langskalige Zukunft bestimmt. Mit der fortschreitenden Entdeckung extrasolarer Planeten lag es nahe, diese Untersuchungen auf extrasolare Planetensysteme auszuweiten.

 

Das Konzept der habitablen Zone

Dass bei anderen Sternen in unserem Milchstraßensystem viele Planeten existieren müssen, deren Masse etwa eine Erdmasse beträgt, steht außer Frage, denn es bilden sich viel mehr kleinere Planeten als Riesenplaneten. Ob diese extrasolaren, bezüglich ihrer Masse erdähnlichen Planeten dann aber auch bewohnbar (»habitabel«) sind, lässt sich nicht allein aus ihrer Masse herleiten. Zur Diskussion der Bewohnbarkeit nutzt man das Konzept der »habitablen Zone«. Die habitable Zone um einen Zentralstern ist der Abstandsbereich, in dem ein erdähnlicher Planet moderate Oberflächentemperaturen aufweist, die für höhere Lebensformen notwendig sind. Im allgemeinen ist diese Voraussetzung mit der Existenz von flüssigem Wasser verbunden.

In den siebziger und achtziger Jahren bestimmte man die habitable Zone in der Umgebung eines Sterns, indem man die Entwicklung einer terrestrischen Atmosphäre für verschiedene Werte ihres Abstandes zur Sonne simulierte. Die Nische, in der sich Leben entwickeln und erhalten kann, ist der Temperaturbereich zwischen der Hitze eines sogenannten runaway greenhouse (sich selbst verstärkender Treibhauseffekt) und der Kälte eines sogenannten runaway icehouse (sich selbst verstärkender Abkühlungsprozess). Für einen G2-Stern wie unsere Sonne ergab sich ein sehr enger Bereich. Bezeichnet man den mittleren Abstand der Erde von der Sonne (149.6 Millionen Kilometer) als eine Astronomische Einheit (1 AE), so darf ein solcher Planet nicht näher als 0.958 AE und nicht weiter als 1.004 AE von der Sonne entfernt sein [5]. Diese ersten Ergebnisse berücksichtigten jedoch nicht, dass es zwischen dem atmosphärischen Kohlendioxidgehalt und der mittleren Oberflächentemperatur einen negativen Rückkopplungsprozess gibt. Neue Berechnungen zeigten in den neunziger Jahren [7], dass sich unter Berücksichtigung dieser Rückkopplung die äußere Grenze unter bestimmten Bedingungen bis auf 1.77 AE hinausschiebt, während die innere Grenze nahezu unverändert bei 0.84 AE bleibt. Die Modellrechnungen wurden nicht nur für Sterne des Spektraltyps G2 durchgeführt, sondern auch auf andere Hauptreihensterne erweitert.

Eine neue Herangehensweise an das Problem der Bestimmung habitabler Zonen um Hauptreihensterne ist die Anwendung der Erdsystemanalyse auf unser eigenes und auf extrasolare Planetensysteme.

 

Die Erdsystemanalyse

Die moderne Erdsystemanalyse untersucht das komplexe Verhalten der Ökosphäre. Die Erde wird als ein wechselwirkendes System aus verschiedenen Komponenten (Sphären) mit sich selbst regulierenden Eigenschaften betrachtet. Bei Untersuchungen über sehr lange (erdgeschichtliche) Zeiträume sind als Komponenten die feste Erde, die Hydrosphäre, die Atmosphäre und die Biosphäre zu berücksichtigen. Das System entwickelt sich unter dem Einfluss der alternden Sonne, denn die Leuchtkraft unseres Zentralsterns nimmt mit der Zeit zu. Seit der gemeinsamen Entstehung von Erde und Sonne vor etwa 4.6 Milliarden Jahren hat sich die Sonnenleuchtkraft um etwa 30 % erhöht.

Nimmt man an, dass die Zusammensetzung der Erdatmosphäre und das planetare Rückstreuvermögen (die Albedo) zu jener Zeit ähnlich wie heute gewesen sind, dann müsste die Temperatur an der Erdoberfläche noch vor zwei Milliarden Jahren ständig unter dem Gefrierpunkt gelegen haben. Geologische Befunde weisen aber auf eine Präsenz flüssigen Wassers an der Erdoberfläche schon vor 4.3 Milliarden Jahren hin. Das Paradoxon der anfänglich schwachen Sonne lässt sich unter der Annahme lösen, dass die Erde selbstregulierend auf die anwachsende Sonnenleuchtkraft reagiert. Der globale Kohlenstoffkreislauf ist der Hauptprozess, der die Zusammensetzung der Atmosphäre reguliert und über den Treibhauseffekt das Klima einstellt. Je höher die mittlere globale Oberflächentemperatur ist, desto mehr Kohlendioxid wird durch Verwitterung chemisch aus der Atmosphäre gebunden, zum Ozean transportiert, dort abgelagert und zum Teil in den Mantel subduziert.

Dieser Kohlenstoff kann durch Entgasung aus den mittelozeanischen Rücken und aus den sogenannten Hot-Spot-Vulkanen sowie aus den Subduktionszonen wieder freigesetzt werden und sich dann in der Atmosphäre ansammeln. Damit wird der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre durch Rückkopplung reguliert. Grundlage für das Funktionieren des Kohlenstoffkreislaufs ist der Ablauf von Plattentektonik. Plattentektonische Prozesse (die Geodynamik) sind abhängig vom Entwicklungszustand des Planeten. Je wärmer das Innere eines Planeten ist, desto schneller laufen seine geodynamischen Prozesse (Subduktion und Ausbreitung der Ozeanböden) ab. Heute hat sich der Mantel unserer Erde nach einem anfänglichen Temperatursturz mit einer Rate von etwa 100 K pro Milliarde Jahre auf etwa 2500 K abgekühlt.

 

Die solare habitable Zone

Die habitable Zone um unsere Sonne ist für das dargestellte Erdsystem der Abstandsbereich, in dem die globale Oberflächentemperatur zwischen 0°C und 100°C liegt, also flüssiges Wasser vorhanden ist, und der atmosphärische Partialdruck von Kohlendioxid größer als der Minimalwert für die Photosynthese der C4-Pflanzen, die mit äußerst geringen CO2-Konzentrationen auskommen, ist (10-5 bar). Durch die Photosynthese werden in den Pflanzen organische Kohlenstoffverbindungen gebildet und Sauerstoff freigesetzt. Damit dieser Prozess ablaufen kann, muss Licht einfallen, die Umgebungstemperatur ausreichen, sowie genügend Wasser, Kohlendioxid und Nährstoffe bereitgestellt werden. Diese Voraussetzungen für auf Photosynthese beruhendes Leben müssen vorhanden sein, damit die Biosphäre produktiv ist. Planeten mit Bioproduktivität bezeichnen wir als habitabel. Mit Hilfe des globalen Kohlenstoffkreislaufs kann man diesen Prozess simulieren. Der Kreislauf wird durch die sich abschwächenden geodynamischen Prozesse angetrieben und läuft unter der Bedingung einer alternden Sonne ab.

Die von uns so bestimmte, heutige habitable Zone in unserem Sonnensystem erstreckt sich von etwa 0.87 AE bis 1.20 AE [4]. In Zukunft wird sie immer schmaler, bis sie in etwa 1.5 Milliarden Jahren ganz verschwindet. Dieses Ergebnis ist qualitativ neu. Bislang war man überzeugt, dass sich mit zunehmender Sonnenleuchtkraft die habitable Zone nur weiter vom Zentralstern weg verlagert. Wegen des Abklingens der geodynamischen Prozesse – also des Alterns des Planeten selbst – ist das aber nicht der Fall. Die äußere Grenze der habitablen Zone ist stark geodynamisch geprägt. Sie wird dadurch bestimmt, dass selbst ein hoher CO2-Gehalt in der Atmosphäre nicht mehr ausreicht, um über den Treibhauseffekt eine zu geringe solare Einstrahlung so weit zu kompensieren, dass die globale Oberflächentemperatur über den Gefrierpunkt ansteigt.

Durch das Abklingen der geodynamischen Prozesse gelangt zudem immer weniger Kohlendioxid in die Atmosphäre. Die äußere Grenze verschiebt sich immer weiter nach innen. Im Gegensatz dazu herrschen an der inneren Grenze sehr hohe Temperaturen. Durch die erhöhte Verwitterung wird immer mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre gebunden, um den Treibhauseffekt selbstregulatorisch zu verringern. Durch den entstehenden CO2-Mangel kann aber die Photosynthese nicht mehr ablaufen. Die 100°C-Grenze wird zu diesem Zeitpunkt noch nicht erreicht. Die innere Grenze verschiebt sich geringfügig aber ständig nach außen. Die Biosphäre stirbt in beiden Fällen aus. Man kann einen optimalen Abstand der Erde von der Sonne angeben, bei dem unsere Biosphäre am längsten überleben könnte. Das ist der Abstand, an dem die innere und die äußere Grenze schließlich aufeinandertreffen. Er beträgt 1.08 AE. In der Vergangenheit war die habitable Zone viel breiter. Eine Erde auf der Umlaufbahn des Mars währe noch vor 500 Millionen Jahren bewohnbar gewesen. Zwar ist Mars durch seine geringere Masse nicht direkt mit der Erde vergleichbar, aber trotzdem könnte man dieses Ergebnis als optimistische Obergrenze für die Zeit seiner Bewohnbarkeit ansehen. Eine Erde am Ort der Venus wäre dagegen nie habitabel gewesen.

Für die Berechnung extrasolarer habitabler Zonen wendet man vereinfachte Modelle des Erdsystems an. Zur besseren Vergleichbarkeit ist deshalb in Abb. 1 die Entwicklung der habitablen Zone in unserem Sonnensystem für ein Erdmodell mit zeitlich konstanter Fläche der Kontinente dargestellt. Für dieses theoretische Erdmodell wird die bewohnbare Zone viel länger, noch 3.2 Milliarden Jahre lang, existieren. Da hier im Gegensatz zu einem echten Erdzwilling die Fläche der Kontinente in Zukunft nicht mehr zunehmen wird, ist im Verhältnis eine kleinere Fläche der Verwitterung ausgesetzt: Damit wird weniger Kohlendioxid aus der Atmosphäre ausgewaschen. Der Mangel an Kohlendioxid für den Ablauf der Photosynthese entsteht also viel später, und die Biosphäre überlebt länger. Man erhält eine viel optimistischere Abschätzung für die Dauer der Habitabilität.

 

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Abbildung 1: Zeitliche Entwicklung der bewohnbaren (habitablen) Zone im Sonnensystem für ein Erdmodell mit gleichbleibender Fläche der Kontinente.

 

Extrasolare habitable Zonen

Die oben dargestellten Modellrechnungen sind auch auf andere Planetensysteme übertragbar. In Abhängigkeit vom Alter des Systems (also vom Entwicklungszustand des Zentralsterns und des Erdzwillings), von der Masse des Zentralsterns und vom Abstand des Planeten zu seinem Zentralstern kann man die zeitliche Entwicklung der habitablen Zone darstellen (Abb. 2). Die in der Abbildung angegebenen Grenzen, jenseits derer es keine habitablen Zonen geben kann, ergeben sich wie folgt:

(I) Um Hauptreihensterne mit mehr als 2.2 Sonnenmassen existieren die Bedingungen für die Entwicklung von Leben für zu kurze Zeit. Diese Sterne verbleiben auf der Hauptreihe kürzer als 0.8 Milliarden Jahre. So lange muss aber ein Planet mindestens habitabel sein, um Leben entwickeln zu können.

(II) Sterne mit einer Masse von 1.1 bis 2.2 Sonnenmassen können eine habitable Zone zwar länger als 0.8 Milliarden Jahre aufrecht erhalten. Sie verschwindet allerdings, sobald diese Sterne die Hauptreihe verlassen und zu Roten Riesen werden. Unsere Sonne erreicht dieses Entwicklungsstadium nach etwa zehn Milliarden Jahren.

(III) Bei Sternen mit einer Masse von 0.6 bis 1.1 Sonnenmassen ist die maximale Überlebensspanne der Biosphäre ausschließlich durch die Geodynamik bestimmt, also den Entwicklungszustand des Planeten selbst.

Bei masseärmeren Sternen (IV) liegt die habitable Zone sehr nahe am Stern. In diesen Bereichen ist die Rotation eines Planeten gebunden, d.h. er wendet dem Stern immer dieselbe Seite zu. Neueste Erkenntnisse zeigen, dass gebundene Rotation Habitabilität nicht ausschließen muss. Ihr Auftreten ist aber umstritten.

 

Abbildung 2: Die habitable Zone (grüner Bereich) für einen Erdzwilling in einem Abstand vom Zentralstern von 2 AE. In den grauen Bereichen ist Habitabilität durch vom Abstand Stern-Planet unhabhängige Faktoren ausgeschlossen, siehe Text. (Nach [4])

 

Die beschriebenen Ergebnisse beziehen sich nur auf theoretische Berechnungen für einen Erdzwilling, der seinen Zentralstern auf einer stabilen Bahn umkreist. Deshalb ist noch ein weiteres Kriterium zu untersuchen – die Bahnstabilität.

 

Bahnstabilität – dynamische Habitabilität

Bereits im Jahre 1687 konnte Isaak Newton zeigen, dass die relative Bewegung, die sich aus der gravitativen Wechselwirkung zweier sphärisch symmetrischer Körper ergibt, durch einfache geometrische Figuren beschrieben werden kann: Ellipsen für eine gebundene Bahn und Parabeln bzw. Hyperbeln für ungebundene Trajektorien. Sobald man jedoch von diesem Zweikörperproblem zum Dreikörperproblem übergeht (Berücksichtigung eines dritten, gravitativ wirksamen Körpers), ergibt sich eine Vielfalt qualitativ neuer dynamischer Phänomene. In einem solchen System lassen sich der Ort und die Geschwindigkeit der drei Körper nicht für jeden beliebigen Zeitpunkt in geschlossener algebraischer Form angeben – das System ist nicht mehr vollständig integrierbar. Die Bestimmung der Bahnstabilität eines fiktiven erdähnlichen Planeten in einem extrasolaren Planetensystem, das bereits einen Riesenplaneten aufweist, ist ein klassisches Dreikörperproblem. In vielen Fällen wird der Bereich stabiler Bahnen durch die Anwesenheit des Riesenplaneten sehr stark eingeschränkt, oder er verschwindet vollkommen. Andererseits ist das Vorhandensein von Riesenplaneten erforderlich, um den inneren Bereich des Systems vor zu häufigen Einschlägen von Asteroiden oder Kometen abzuschirmen. Verweilt ein Erdzwilling für hinreichend lange Zeit auf einer stabilen Bahn in der habitablen Zone um einen Zentralstern, dann spricht man von dynamischer Habitabilität.

 

Fallbeispiel: 47 Ursae Majoris

Charakterisierung des Systems: Der Stern 47 UMa befindet sich im Sternbild des Großen Bären, etwa 45 Lichtjahre von der Sonne entfernt. Seine Spektralklasse ist G0V, bezüglich seiner Masse (1.03 Sonnenmassen), seiner effektiven Temperatur und seiner Metallizität ist er mit unserem Zentralstern vergleichbar. Der Stern besitzt zwei Riesenplaneten. Der erste, 47 UMa b, wurde 1996 entdeckt. Seine Masse beträgt 2.54 Jupitermassen, er umkreist den Zentralstern in einer Entfernung von 2.09 AE. Der zweite, 47 UMa c, wurde 2002 entdeckt. Seine Masse beträgt 0.76 Jupitermassen,  seine Entfernung zum Zentralstern 3.73 AE. Beide Planeten haben nahezu kreisförmige Bahnen. Mit seinen beiden Giganten ist das System 47 UMa unserem Sonnensystem ähnlich (Jupiter umkreist die Sonne bei 5.20 AE, Saturn mit seinen 0.30 Jupitermassen bei 9.56 AE).

Zur Bestimmung der Position der habitablen Zone um 47 UMa müssen das Alter des Systems und die Leuchtkraft des Zentralsterns bekannt sein. Die Leuchtkraft setzt den Rahmen für die externe Beeinflussung des planetaren Klimas, das Alter bestimmt den geodynamischen Zustand eines eventuellen erdähnlichen Planeten. Die Parallaxe, und damit der Abstand von 47 UMa zum Sonnensystem, ergibt sich aus Beobachtungen des Astrometrie-Satelliten Hipparcos. Dieser von der ESA 1989 gestartete Satellit lieferte wesentlich genauere Daten als erdgebundene Messungen. Aus dem Abstand des Sterns lässt sich ein Mittelwert für seine absolute Leuchtkraft von 1.54 Sonnenleuchtkräften ableiten. Zur Bestimmung seines Alters wurden spektroskopische Methoden angewandt. Aktuelle Untersuchungen ergeben ein mittleres Alter von 6.32 Milliarden Jahren, die Ungenauigkeit dieser Angabe beträgt +1.2 und –1.0 Milliarden Jahre.

Entstehung terrestrischer Planeten: In der inneren Region um 47 UMa befinden sich keine weiteren Riesenplaneten. Das ist deshalb wichtig, weil innere Riesenplaneten die Bildung terrestrischer Planeten in einer erdähnlichen Entfernung nahezu verhindern würden. Ein Riesenplanet in diesem Bereich würde bewirken, dass sich die vorhandenen Planetenembryos gegenseitig stören und deshalb nicht zu größeren Objekten heranwachsen. Stattdessen könnte ein Asteroidengürtel entstehen. Die Bildung erdähnlicher Planeten ist im System 47 UMa durch die geringere Entfernung der jupiterähnlichen Gasgiganten weniger wahrscheinlich als in unserem Sonnensystem. Dennoch dürften sich während der Akkretionsphase genügend große Planetenembryos gebildet haben. Es fand auch keine Migration eines Riesenplaneten in den Innenbereich statt, der die Bahnen der dort eventuell vorhandenen Planeten hätte stören können.

Bahnstabilität: Eine notwendige Vorraussetzung dafür, dass sich auf einem erdähnlichen Planeten in diesem System einfaches und sogar intelligentes Leben entwickeln kann, ist die langfristige Stabilität seiner Bahn um 47 UMa innerhalb der habitablen Zone. In einem Computermodell setzten Jones et al. [6] einen terrestrischen Planeten mit Erdmasse an unterschiedliche Startpositionen in den stellaren habitablen Zonen von vier unterschiedlichen Planetensystemen. Die Planetenbewegungen wurden bis zu einer Milliarde Jahre lang verfolgt. Orbitale Instabilität trat ein, wenn der Planet die Nähe des Hill-Radius des inneren Riesenplaneten erreichte, also den Punkt, an dem die Anziehung des Riesenplaneten die des Zentralsterns gerade ausgleicht (vgl. [11]). Das System 47 UMa stellte sich als ein erfolgversprechender Kandidat für dynamisch habitable Planeten heraus. Die äußere Grenze für stabile Umlaufbahnen ergab sich zu 1.32 AE. Allerdings kannte man in diesem System zum Zeitpunkt jener Rechnungen nur einen Riesenplaneten. In anderen Studien, die den Einfluss des zweiten Riesenplaneten beachteten, wurde der Fall eines Planeten mit einer Erdmasse untersucht, der zu Beginn jeweils bei 1.13 AE, 1.44 AE und 1.75 AE platziert wurde. Nur für den ersten Fall ergaben sich stabile Bahnen. Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass die äußere Grenze der Stabilität im Sinne einer konservativen Näherung wahrscheinlich bei 1.25 AE liegt und jenseits von 1.3 AE keine Stabilität mehr auftritt.

Dynamische Habitabilität: Für die oben angegebene Leuchtkraft haben wir für das System 47 UMa mit Hilfe der Erdsystemanalyse die Entwicklung der habitablen Zone berechnet [3]. Es zeigt sich, dass ein Erdzwilling unter diesen Voraussetzungen sowohl habitabel als auch bahnstabil sein kann.

 

 

Abbillung 3: Die habitablen Zonen (grüne Bänder) im Sonnensystem und in den Systemen 47 UMa und 55 Cancri A für ein Erdmodell mit zeitlich konstanter Fläche seiner Kontinente. Die gestrichelte Linie gibt jeweils die Grenze des Bereichs stabiler Bahnen erdähnlicher Planeten an. In Pfeilrichtung sind alle Bahnen solcher Planeten instabil.

Die Chancen für Habitabilität sind bei Annahme der unteren Grenze für das Alter bzw. die Leuchtkraft besonders groß. Zur Simulation der geodynamischen Entwicklung des Planeten haben wir verschiedene Modelle für das Wachstum der Kontinente angenommen und auch die Modifikation der habitablen Zone bei verändertem Verhältnis von Festland- zu Ozeanfläche untersucht. Ein Planet mit einem Flächenverhältnis von Land zu Wasser wie auf der Erde und Kontinenten, die seit seiner Entstehung in der heutigen Größe vorhanden waren, hat bessere Chancen im System 47 UMa habitabel zu sein als ein Planet, dessen Kontinente erst wachsen. Mehr noch, je größer der Anteil der Ozeanbedeckung an der Planetenoberfläche ist, desto mehr Lösungen lassen sich für einen dynamisch habitablen Planeten finden. In Abb. 3 ist die heutige habitable Zone für einen Erdzwilling, der 47 UMa umläuft, als grünes Band eingezeichnet. Jenseits der gestrichelten Linie (in Pfeilrichtung) gibt es keine stabilen Bahnen mehr, so dass der Bereich dynamischer Habitabilität eingeschränkt ist. Unsere Erde wäre in einer Entfernung zum Zentralstern, in der die Einstrahlung Sonnenstärke erreicht (1.24 AE), auch im älteren System 47 UMa noch dynamisch habitabel.

 

Fallbeispiel: 55 Cancri A

Charakterisierung des Systems: 55 Cancri, ein Doppelstern im Sternbild Krebs, ist etwa 41 Lichtjahre von uns entfernt. Die Hauptkomponente 55 CnC A ist aufgrund ihrer Spektralklasse G8V den gelben Zwergen zuzuordnen. Ihre Masse beträgt 0.95 Sonnenmassen. Dieser Stern ist der vierte überhaupt, bei dem ein Planet entdeckt wurde, und zwar durch präzise, am Lick-Observatorium in den Jahren 1989 bis 2002 durchgeführte Messungen der Dopplerverschiebungen in seinem Spektrum. Der Stern wurde wegen seines hohen Gehaltes an schweren Elementen, seiner chromosphärischen Emission, die möglicherweise durch die Anwesenheit der Planeten beeinflusst wird, und seiner umstrittenen planetaren Staubscheibe intensiv untersucht. Die Masse seines etwa 1100 AE weit entfernten, lichtschwachen Begleiters 55 CnC B beträgt nur 0.13 Sonnenmassen.

Bisher konnten bei 55 CnC A drei Riesenplaneten nachgewiesen werden: Der Planet 55 CnC b besitzt 0.84 Jupitermassen und umkreist den Zentralstern im Abstand von  0.115 AE, die Masse von 55 CnC c beträgt 0.21 Jupitermassen, sein Abstand 0.241 AE, die Masse von 55 CnC d schließlich 4.05 Jupitermassen, sein  Abstand 5.9 AE. 55 CnC d ist von den bisher entdeckten Planeten der von seinem Zentralstern entfernteste, seine Bahn ist vergleichbar mit der Bahn Jupiters in unserem Sonnensystem (Abstand 5.2 AE). Diese Ähnlichkeit lässt auch vermuten, dass sich im Bereich zwischen 0.25 AE und 5 AE weitere kleinere Planeten befinden könnten. Die mittlere Leuchtkraft von 55 Cancri A beträgt 0.61 Sonnenleuchtkräfte, sein Alter wird mit 4.5 Milliarden Jahren angegeben bei einer Unsicherheit von ± 1 Milliarde Jahren. Das kommt dem Alter unseres Sonnensystems (4.6 Milliarden Jahre) sehr nahe.

Bildung terrestrischer Planeten: Im Gegensatz zu 47 UMa besitzt 55 Cancri A zwei sogenannte Hot Jupiters. Das sind Riesenplaneten, oft größer als Jupiter, die ihren Zentralstern auf sehr engen Bahnen umkreisen (manchmal in geringerer Entfernung als Merkur die Sonne!) und infolge der großen Nähe zum Zentralstern einer sehr starken Einstrahlung ausgesetzt sind. Diese beiden Giganten können aber nicht im Innenbereich entstanden sein, sondern müssen kurz nach ihrer Bildung in größeren Abständen vom Zentralstern einen Migrationsprozess durchlaufen haben. Erst danach könnten sich terrestrische Planeten im Bereich von 0.25 AE bis 5 AE gebildet haben oder von weiter außen dorthin migriert sein.

Bahnstabilität: Mit Hilfe von Bahnstabilitätsberechnungen unter Annahme der oben aufgeführten Planetenmassen konnte der innere Rand des dynamisch stabilen Bereichs  auf 0.69 AE festgesetzt werden. Diese Arbeiten wurden von uns gemeinsam mit Manfred Cuntz (University of Texas at Arlington) durchgeführt. Die Massenbestimmung extrasolarer Planeten ist aufgrund der unbekannten Neigung der Bahnebene zur Beobachtungsebene (Inklinationswinkel) ungenau. Falls die Massen der drei Riesenplaneten um 20 % größer sind (Fehlergrenze der Massebestimmung für 55 CnC c), beginnt der Bereich stabiler Bahnen erst bei 0.75 AE.

Dynamische Habitabilität: Für das System 55 Cancri haben wir die gleichen Untersuchungen durchgeführt wie für das System 47 Ursae Majoris. Es zeigt sich, dass in einem Teil des Innenbereichs der habitablen Zone keine stabilen Bahnen auftreten. Im Gegensatz dazu gibt es aufgrund der Stabilität keine Einschränkung der äußeren Grenze, da der dritte Riesenplanet so weit außen liegt. Bei der geringen Leuchtkraft des Zentralsterns ist die Einstrahlung auf einen Planeten bereits in einer Entfernung von 0.78 AE so stark wie auf der Erde. Die Umlaufbahn eines Erdzwillings an dieser Stelle wäre in diesem extrasolaren Planetensystem stabil und der Planet wäre auch habitabel. Je weiter außen ein terrestrischer Planet seinen Zentralstern umkreist, desto größer muss seine Wasserbedeckung an der Oberfläche sein, damit Habitabilität besteht. Die heutige habitable Zone ist in Abb. 3 als grünes Band dargestellt. In diesem gesamten Bereich besitzen terrestrische Planeten stabile Bahnen. Eine Erde in 0.78 AE Entfernung vom Zentralstern wäre im jüngeren System 55 Cancri A heute dynamisch habitabel.

 

Extrasolare Planeten in unserer Galaxis

Schon an den beiden oben aufgeführten Beispielen wird deutlich, dass dynamisch habitable Planeten keine Ausnahme sein können, sondern dass viele solcher Objekte im Universum vorhanden sein müssen. Mit der hier beschriebenen Methode zur Bestimmung der habitablen Zone für Zwillinge der Erde haben wir  die Zahl habitabler Planeten in unserem Milchstraßensystem abgeschätzt [1].

 

Abbildung 4: Die Bildungsraten für Sterne und Planeten in unserer Galaxis als Funktionen der Zeit.

 

Heute enthält die Galaxis etwa 400 Milliarden Sterne. Die Sternbildungsrate ist im allgemeinen zeitabhängig. Sie ist in Abb. 4 dargestellt und wurde nach Lineweaver [8] für das Milchstraßensystem reskaliert. In den ersten 2.6 Milliarden Jahren nach dem Urknall stieg sie exponentiell an, um danach exponentiell abzufallen. Heute wird in unserem Milchstraßensystem etwa eine Sonnenmasse interstellarer Materie pro Jahr in Sterne umgewandelt. Für die Bildung terrestrischer Planeten muss die interstellare Materie eine hinreichend hohe Metallizität besitzen. Metallizität ist der Gehalt an Metallen, wobei alle Elemente, die schwerer als Helium sind, in der Astrophysik als Metall bezeichnet werden. In Systemen mit zu geringer Metallizität können keine terrestrischen Planeten entstehen. Zu hohe Metallizitäten führen zur Bildung von Hot Jupiters, bieten also schlechte Voraussetzungen für die Entstehung terrestrischer Planeten. Die schweren Elemente werden hauptsächlich in Sternen erbrütet, so dass die Metallizität direkt aus der Integration der Sternbildungsrate abgeleitet werden kann. Die Bildungsrate terrestrischer Planeten ist dann das Produkt aus der Sternbildungsrate und der metallizitätsabhängigen Wahrscheinlichkeit für die Bildung der terrestrischen Planeten (Abb. 4). 3.8 Milliarden Jahre vor der Entstehung unseres Sonnensystems hatte sie ein Maximum. Es bildeten sich im gesamten Milchstraßensystem etwa 0.06 terrestrische Planeten pro Jahr. Seitdem geht sie zurück, heute sind es weniger als 0.02 terrestrische Planeten pro Jahr. Die mittlere Dichte stellarer Systeme, die habitable Planeten beherbergen, kann aus der Planetenbildungsrate und der Faltung dieses Wertes mit der Wahrscheinlichkeit für Habitabilität berechnet werden.

Für die Anzahl der Planetensysteme mit mindestens einem habitablen Planeten ergibt sich ein überraschendes Bild (Abb. 5). Zu dem Zeitpunkt, als unser Sonnensystem entstanden ist (8.8 Milliarden Jahre nach dem Urknall), gab es die meisten Planetensysteme, die zumindest einen habitablen Planeten beherbergt haben müssten, nämlich 65 Millionen. Diese Zahl sank im Laufe der Zeit und beträgt heute etwa 40 Millionen. Damit ergibt zusammen mit der Näherung eines Scheibenmodells der Milchstrasse (Scheibenvolumen »4.5´1012 parsec3) sich ein mittlerer Abstand habitabler Planeten von etwa 50 parsec. Wenn es zu der Zeit, als die Erde geboren wurde, so viele Planetensysteme mit habitablen Planeten gegeben hat – könnte es dann möglich sein, dass Sporen aus dem Weltall unsere Erde infiziert haben und sich daraufhin das Leben auf unserem Planeten explosionsartig entwickelte?

 

Abbildung 5: Anzahl der Planetensysteme im Milchstraßensystem, die mindestens einen habitablen Planeten beherbergen. (Nach [1])

 

Panspermie

Schon 1908 formulierte Svante Arrhenius die Panspermie-Theorie. Er vermutete, dass das Leben nicht auf unserem Planeten entstanden, sondern durch einen interstellaren Transport zu uns gelangt ist. Lange Zeit hielten viele Wissenschaftler einen solchen Transport für unwahrscheinlich, denn das im Weltall herrschende Vakuum, die extremen Temperaturen und die komplexen interstellaren Strahlungsfelder sind außerordentlich lebensfeindlich. Dazu kommen die extremen Bedingungen beim Verlassen des Mutterplaneten und bei der Landung auf der Erde. In den siebziger Jahren lebte die Panspermietheorie durch die Arbeiten von Hoyle und Wickramasinghe wieder auf [2]. Mit Hilfe spektroskopischer Untersuchungen des Lichts entfernter Sterne fanden sie Hinweise auf Lebensspuren im interstellaren Staub. Sie vermuteten, dass Kometen, die hauptsächlich aus Wassereis bestehen, bakterielles Leben durch Galaxien transportieren und es vor Strahlungsschäden abschirmen können.

1996 wurde die Entdeckung chemischer Biomarker und möglicher Mikrofossilien in dem Marsmeteoriten ALH 84001 bekannt gegeben. Wenn auch bis heute dieser Nachweis extraterrestrischen Lebens wissenschaftlich umstritten ist, gilt der Transfer von Organismen zwischen Mars und Erde (interplanetare Panspermie) als möglich. Das zeigt auch die Entdeckung und Untersuchung von Extremophilen – Mikroorganismen, die unter extremen Bedingungen leben können – durch die moderne Astrobiologie.

Die letztlich sehr geringe Wahrscheinlichkeit der interstellaren Panspermie ergibt sich im wesentlichen aus der geringen Dichte habitabler Planeten in unserer Galaxis (siehe oben). Für einen erfolgreichen Transport von Organismen zwischen Planetensystemen von einem terrestrischen Planeten zum anderen müssen beide Planeten zur gleichen Zeit habitabel sein. Die Wahrscheinlichkeit für interstellare Panspermie hängt deshalb vom Quadrat der Dichte extrasolarer habitabler Planeten ab. Als Ergebnis der Berechnungen ist festzustellen, dass zum Zeitpunkt der Entstehung unseres Sonnensystems die meisten interstellaren Panspermie-Ereignisse aufgetreten sind. Bis heute ist ihre Häufigkeit auf 30 % des damaligen Wertes abgeklungen. Wenn überhaupt extrasolare Mikroorganismen ihre Reise im interstellaren Raum überleben und auf unsere Erde gelangen können, dann war die Wahrscheinlichkeit für ein solches Ereignis zur Zeit der Entstehung der Erde vor 4.6 Milliarden Jahren am größten.

Dass um unsere Sonne ein terrestrischer Planet in der habitablen Zone auf einer stabilen Umlaufbahn kreist, ist unumstritten. Denn die Erde ist ein Planet, auf dem niederes und höheres Leben in vielen Formen existiert. Wie dieses Leben entstanden ist, kann uns die Panspermie-Theorie auch nicht erklären. Sie verschiebt die Lösung dieses Problems nur in die Weite des Universums.

 

Literaturhinweise und Internetadressen:

[1] Werner von Bloh, Siegfried Franck, Christine Bounama, Hans-Joachim Schellnhuber: Maximum number of habitable planets at the time of Earth’s origin: New hints for panspermia? Origins of Life and Evolution of the Biosphere 33: 219 [2003]

[2] Geoffrey Burbidge: Fred Hoyle. SuW 1/2003, S. 24 – 31.

[3] Manfred Cuntz, Werner von Bloh, Christine Bounama, Siegfried Franck: On the possibility of Earth-type habitable planets around 47 UMa. Icarus 162, 214 [2003]

[4] Siegfried Franck, Werner von Bloh, Christine Bounama, Matthias Steffen, Detlef Schönberner, Hans-Joachim Schellnhuber: Determination of habitable zones in extrasolar planetary systems: Where are Gaia’s sisters? J. Geophys. Res. 105 (E1), 1651 [2000]

[5] Michael H. Hart: Habitable Zones about Main Sequence Stars. Icarus 47, 351 [1979]

[6] Barry W. Jones, P. Nick Sleep, John E. Chambers: The stability of the orbits of terrestrial planets in the habitable zone of known exoplanetary systems. Astronomy & Astrophysics 366, 254 [2001]

[7] James F. Kasting, Daniel P. Whitmire, Ray T. Reynolds: Habitable Zones around Main Sequence Stars. Icarus 101, 108 [1993]

[8] Charles H. Lineweaver: An Estimate of the Age Distribution of Terrestrial Planets in the Universe: Quantifying Metallicity as a Selection Effect. Icarus 151, 307 [2001]

[9] Hans-Joachim Schellnhuber: `Earth system’ analysis and the second Copernican revolution. Nature 402 (Suppl), C19 [1999].

[10] Jean Schneider: Extrasolar Planets Encyclopaedia. http://www.obspm.fr/catalog.html

[11] Günther Wuchterl: Die Ordnung der Planetenbahnen, Teil 2. SuW 12/2002, S. 32 – 41

Weitere Informationen zur Panspermie: http://www.panspermia.org

 


   
       
 
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