Felsige Planeten, die Magma-Ozeane auf ihrer Oberfläche hatten oder vielleicht sogar noch haben, können große Mengen Wasser in ihren Kern ziehen.(Bildnachweis: ESO/L. Calçada)
Bis zu 95 % des Wassers eines Exoplaneten könnten für immer tief in seinem Eisenkern eingeschlossen sein, wodurch sich das, was wir über Wasserwelten zu wissen glaubten, ändert und sie möglicherweise noch bewohnbarer werden, als uns bewusst war.
„Planeten sind viel wasserreicher als bisher angenommen“, sagte Caroline Dorn, Professorin für Exoplaneten an der ETH Zürich in der Schweiz, in einer Erklärung.
Wenn Planeten durch Akkretion von Trümmern und durch Kollisionen mit anderen Protoplaneten entstehen, werden sie so heiß, dass ihre gesamte Oberfläche mit einem Meer aus geschmolzenem Gestein bedeckt ist. Dieses Magma kühlt schließlich ab und bildet einen silikathaltigen Mantel und eine feste Kruste, die einen tiefen Kern aus geschmolzenem Eisen überlagert, der sich im Laufe der Zeit zusammensetzt, wenn schwerere Materialien zum Zentrum des Planeten sinken.
Zu den Materialien, aus denen Planeten aufgebaut sind, gehört auch Wasser, und in den frühen Tagen eines Planeten ist Wasser vorhanden und im Magmaozean gelöst. Frühere Forschungen haben ergeben, dass junge Planeten von ähnlicher Größe und Masse wie die Erde – und daher mit relativ moderaten inneren Drücken und Temperaturen – in der Lage sind, das im Magma gelöste Wasser zu ihrem Kern hinunterzuziehen. Eine Studie ergab sogar, dass die Erde in ihrem Inneren mindestens ein Dutzend Mal mehr Wasser enthält als an der Oberfläche in Form der uns bekannten Ozeane.
„Ein großer Teil des Eisens ist zunächst in Form von Tröpfchen in der heißen Magmasuppe enthalten“, so Dorn. Das Wasser im Magma kann sich mit diesen Eisentröpfchen verbinden, wenn sie in Richtung Kern sinken. „Die Eisentröpfchen verhalten sich wie ein Floß, das durch das Wasser nach unten befördert wird.“
Dies ist für Planeten von der Größe der Erde in Ordnung, aber viele der felsigen Exoplaneten, die von Astronomen entdeckt werden, sind viel größer als die Erde. Diese so genannten Supererden können bis zu zehnmal so groß sein wie unser Planet, aber es ist nicht klar, ob solche Welten mit ihren extremeren inneren Bedingungen Wasser aus dem Magmaozean nach unten ziehen können, wie es auf der Erde geschieht.
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Mit Hilfe von Computermodellen, um zu verstehen, wie Wasser mit der geschmolzenen Magmaoberfläche eines jungen, heißen Gesteinsplaneten interagiert, hat Dorn zusammen mit den Forschern Haiyang Luo und Jie Deng von der Princeton University diese Frage nun beantwortet und herausgefunden, dass selbst auf Supererden ein Großteil des Wassers eines Planeten in seinem Inneren landen kann.
„Je größer der Planet und je größer seine Masse, desto mehr tendiert das Wasser dazu, mit den Eisentröpfchen mitzugehen und sich im Kern zu integrieren“, so Dorn. „Unter bestimmten Umständen kann Eisen bis zu 70 Mal mehr Wasser aufnehmen als Silikate. Aufgrund des enormen Drucks im Kern nimmt das Wasser jedoch nicht mehr die Form von H20-Molekülen an, sondern liegt in Form von Wasserstoff und Sauerstoff vor.“
Dieses Wasser ist so tief, dass es für immer im Kern eingeschlossen ist und nicht erreicht werden kann, so dass es für das Leben auf oder nahe der Oberfläche eines Planeten nicht von Nutzen ist. Es könnte jedoch die Bewohnbarkeit auf andere Weise unterstützen.
Durch Messung der Masse und des Radius von Exoplaneten – mit Hilfe von Radialgeschwindigkeits-Dopplermessungen bzw. Transits – können wir die Dichte dieser Welten berechnen (indem wir die Masse des Planeten durch sein Volumen dividieren, das sich aus seinem Radius errechnet). Einige Exoplaneten haben eine Dichte, die darauf schließen lässt, dass ein erheblicher Teil, vielleicht bis zu einem Viertel ihrer Masse, aus Wasser besteht.
Die Annahme war, dass dieses Wasser auf der Oberfläche in Form eines Ozeans in zehn Kilometern Tiefe vorhanden ist, aber wenn diese neue Forschung korrekt ist, dann würde sich das meiste Wasser tatsächlich im Inneren des Planeten befinden, und Wasserwelten mit tiefen globalen Ozeanen könnten selten sein. Obwohl Wasser für das Leben unentbehrlich ist, könnte ein Planet mit nur Wasser an der Oberfläche (und ohne Land) nicht bewohnbar sein. So werden beispielsweise Nährstoffe, die das Leben ernähren, vom Land ins Meer gespült, und dieser Prozess ist ein wesentlicher Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs, der das Klima des Planeten über lange Zeiträume aufrechterhält.
Vermeintliche „Hycean“-Welten – benannt nach einem Portmanteau aus Wasserstoff und Ozean – verdienen nach Ansicht von Dorn weitere Untersuchungen, um die Theorie zu testen, dass Wasser ins Innere eines Planeten gebracht wird. Hyazinthische Planeten haben eine wasserstoffreiche Atmosphäre, aber man dachte auch, dass sie tiefe Ozeane bei bewohnbaren Temperaturen beherbergen könnten.
Wenn der Mantel eines Planeten abkühlt und bevor sich Ozeane bilden, kann ein Teil des im Gestein gelösten Wassers entgasen und an die Oberfläche steigen, wo es in die Atmosphäre freigesetzt werden kann.
„Wenn wir also Wasser in der Atmosphäre eines Planeten finden, gibt es wahrscheinlich noch viel mehr in seinem Inneren“, so Dorn.
Insbesondere der Exoplanet TOI-270d, der einen 73 Lichtjahre von der Erde entfernten roten Zwergstern umkreist und dessen Masse 4,78 Mal größer ist als die unseres Planeten, ist für Dorn von Interesse, der zu einem Team gehörte, das seine Atmosphäre mit dem James-Webb-Weltraumteleskop untersucht und Methan, Kohlendioxid und Wasserdampf gefunden hat.
„Wir haben dort Beweise für die tatsächliche Existenz solcher Wechselwirkungen [von Wasser] zwischen dem Magmaozean im Inneren und der Atmosphäre gesammelt“, so Dorn.
Die Fähigkeit des Wassers, in einem Planeten zu versickern, anstatt sich in großen Tiefen auf seiner Oberfläche zu sammeln, bedeutet, dass es da draußen in der Galaxie ein noch größeres Potenzial für weitere bewohnbare Planeten mit flacheren Ozeanen gibt.
Die Forschungsergebnisse wurden heute (20. August) in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
