Die Vorstellung eines irdischen Nachbarn

Es sind aufregende Zeiten für die Exoplanetenforschung, die von der Demografie zur detaillierten Charakterisierung übergeht. Das James Webb Space Telescope (JWST), das im Dezember 2021 erfolgreich von der Erde abhob, soll die Atmosphären von felsigen Exoplaneten aufspüren, die M-Zwerge – Sterne, die schwächer als die Sonne scheinen – in deren «bewohnbaren Zone» umrunden. Das Extremely Large Telescope (ELT), das derzeit in Chile gebaut wird, soll bis zum Ende des Jahrzehnts felsige Exoplaneten in der Nähe sonnenähnlicher Sterne direkt abbilden. Noch weiter in die Zukunft blickend werden derzeit ehrgeizige Konzepte für künftige Weltraummissionen erforscht, darunter das Large Interferometer for Exoplanets (LIFE), das auf felsige Exoplaneten in der bewohnbaren Zone und deren Atmosphären abzielt. Die ETH Zürich ist federführend oder massgeblich an diesen und anderen Beobachtungsinfrastrukturen beteiligt. Ergänzende Forschungsarbeiten am Institut für Teilchenphysik und Astrophysik befassen sich mit numerischen Modellen, die für das Verständnis von Exoplaneten in der bewohnbaren Zone und für die Entwicklung zukünftiger Missionen und Instrumente unerlässlich sind. Nun stellt ein internationales Team unter der Leitung von ETH-Wissenschaftlern die Ergebnisse einer solchen Studie vor, in der sie ihre Aufmerksamkeit auf die der Erde am nächsten gelegenen sonnenähnlichen Sterne richteten, α Centauri A und α Centauri B. In der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal beschreiben sie Vorhersagen, wie ein erdgrosser Planet, sollte er in diesem System existieren, aussehen würde.

Eine hypothetische α-Cen-Erde

Das Team, dem die ETH-Astrophysiker Haiyang Wang, Sascha Quanz und Fabian Seidler sowie Paolo Sossi vom Departement Erdwissenschaften angehören, hat sich zum Ziel gesetzt, die elementare Zusammensetzung eines hypothetischen Gesteinsplaneten in der bewohnbaren Zone des α Centauri A/B-Systems vorherzusagen. Ihre Modellierung stützt sich auf die spektroskopisch gemessenen chemischen Zusammensetzungen der Sterne α Centauri A und α Centauri B, für die eine Vielzahl von Informationen sowohl für gesteinsbildende Elemente (wie Eisen, Magnesium und Silizium) als auch für flüchtige Elemente (einschliesslich Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff) verfügbar ist. Aus diesen Daten konnten sie mögliche Zusammensetzungen eines hypothetischen planetarischen Körpers projizieren, der einen der beiden Sterne umkreist. Auf diese Weise gelangten die Forscher zu detaillierten Vorhersagen über die Eigenschaften ihres Modellplaneten, dem sie den Namen «α-Cen-Erde» gaben, einschliesslich seiner inneren Struktur, Mineralogie und atmosphärischen Zusammensetzung. Diese Eigenschaften sind wiederum von zentraler Bedeutung für das Verständnis seiner langfristigen Entwicklung und seiner potenziellen Bewohnbarkeit.

Mit dieser Arbeit haben Wang et al. begonnen, ein fesselndes Bild eines möglichen Exoplaneten zu zeichnen, der α Centauri A/B umkreist. Falls er existiert, dann ist die α-Cen-Erde geochemisch wahrscheinlich ähnlich wie unsere Erde, sagen sie voraus, mit einem Mantel, der von Silikaten dominiert wird, aber reich an kohlenstoffhaltigen Spezies wie Graphit und Diamant ist. Die Kapazität zur Speicherung von Wasser in seinem felsigen Inneren dürfte der unseres Heimatplaneten entsprechen. Der Studie zufolge würde sich die α-Cen-Erde auch in interessanter Weise von der Erde unterscheiden, mit einem etwas grösseren Eisenkern, einer geringeren geologischen Aktivität und einem möglichen Fehlen von Plattentektonik. Die grösste Überraschung war jedoch, dass die frühe Atmosphäre des hypothetischen Planeten von Kohlendioxid, Methan und Wasser dominiert gewesen sein könnte – ähnlich wie die der Erde im Archaischen Äon, vor 4 bis 2,5 Milliarden Jahren, als das erste Leben auf unserem Planeten entstand.

Die «chemische Verbindung» zwischen Stern und Planet

Die Studie zeichnet sich dadurch aus, dass sie Vorhersagen über flüchtige Elemente auf einem felsigen Exoplaneten macht. Es ist zwar bekannt, dass die chemische Zusammensetzung von «terrestrischen» Planeten (die überwiegend aus Gestein und Metall bestehen) im Allgemeinen die ihrer Wirtssterne widerspiegelt. Doch gilt dies nur für die so genannten refraktären Elemente, d. h. die Hauptbestandteile von Gestein und Metall. Bei den flüchtigen Elementen – den Elementen, die leicht verdampfen – ist diese Übereinstimmung nicht mehr gegeben. Zu letzterer Klasse gehören Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff, die der Schlüssel zu der Frage sind, ob ein Planet möglicherweise bewohnbar ist.

Während seiner Doktorarbeit an der Australian National University in Canberra (betreut von Charley Lineweaver und Trevor Ireland, die Mitautoren der neuen Arbeit sind), entwickelte Wang das erste quantitative Modell, das die chemische Zusammensetzung von sonnenähnlichen Sternen und felsigen Planeten in ihrem Orbit sowohl für flüchtige als auch für refraktäre Elemente miteinander verbindet. Wang kam 2019 zur Quanz-Gruppe an der ETH Zürich, wo er seither die Anwendungen externe Seite dieses Modells weiterentwickelt hat. In der Gruppe werden auch weiterführende Modelle für die chemische Beziehung zwischen Stern und Planet entwickelt, und zwar in Zusammenarbeit mit dem externe Seite Nationalen Forschungsschwerpunkt PlanetS.

Fenster der Möglichkeiten

Die Wahrscheinlichkeit, tatsächlich ein älteres Geschwisterchen unserer Erde zu finden – das System α Centauri A/B ist 1,5-2 Milliarden Jahre älter als die Sonne – könnte kaum günstiger sein. Von 2022 bis 2035 werden α Centauri A und α Centauri B so weit voneinander entfernt sein, dass die Suche nach Planeten um jeden der beiden Sterne dank der geringeren Lichtverschmutzung durch den anderen Stern möglich ist. Zusammen mit den neuen Beobachtungsmöglichkeiten, die in den kommenden Jahren zu erwarten sind, besteht die berechtigte Hoffnung, dass sich ein oder mehrere Exoplaneten, die α Centauri A/B umkreisen, zu den fast 5'000 Exoplaneten gesellen, die seit 1995 entdeckt worden sind, als zwei Astrophysiker der Universität Genf, Michel Mayor und Didier Queloz (letzterer ist seit letztem Jahr an der ETH Zürich), die Entdeckung des ersten Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems bekannt gaben, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist – wofür sie den Nobelpreis für Physik 2019 erhielten, den sie sich mit dem kanadisch-amerikanischen Kosmologen Jim Peebles teilten.

Die Arbeit von Wang et al. stellt eine Referenzstudie für die Exoplanetenforschung dar, die eine detaillierte theoretische Charakterisierung von (hypothetischen) felsigen Exoplaneten in der bewohnbaren Zone um sonnenähnliche Sterne in der Sonnenumgebung liefert. Dies ist wichtig, um künftige Beobachtungen solcher Planeten zu lenken und somit den wissenschaftlichen Nutzen der noch nie dagewesenen, boden- und weltraumgestützten astronomischen Infrastrukturen zu maximieren, die derzeit entwickelt werden. Mit all diesen Fähigkeiten können wir einem neuen Kapitel bei der Entdeckung von Planeten und Leben im Kosmos entgegenblicken.