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Der nächste Nachbarstern der Sonne, Proxima Centauri, hat einen Planeten – nicht irgendeinen, sondern einen etwa erdgrossen Planeten mitten in der „bewohnbaren Zone“, wo flüssiges Wasser existieren könnte. Er ist sicher keine zweite Erde – so zeigt er etwa seinem Stern vermutlich stets die gleiche Seite – aber trotzdem: mit dieser Entdeckung liegt der erdähnlichste Exoplanet den wir kennen direkt vor unserer Haustür.
Proxima Centauri ist, wie der Name „Proxima“ (lat. „die Nächste“) schon nahelegt, der nächste Stern zur Sonne (das „Centauri“ deutet an, dass der Stern sich im Sternbild Centaurus / Zentaur befindet). Nur etwa 4.25 Lichtjahren (oder 270’000 AU) trennen uns von dem Roten Zwergstern, der etwa 12% der Masse und des Durchmessers der Sonne hat, aber nur etwa 0.17% ihrer Leuchtkraft. Allerdings ist Proxima Centauri ein „Flare“-Stern, der in unregelmässigen Abständen starke Helligkeitsschwankungen zeigt: obwohl er sehr leuchtschwach ist, sind seine Strahlenausbrüche so hell wie jene der Sonne! Der Stern gehört möglicherweise zum Sternsystem Alpha Centauri, dessen zwei sonnenähnliche Hauptsterne (A und B) gerade mal 0.21 Lichtjahre von Proxima entfernt sind. Wenn Proxima die beiden Sterne umkreist, dann auf einem sehr weiten Orbit mit über 500’000 Jahren Umlaufzeit.
Eine Gruppe von Astronomen rund um Guillem Anglada-Escudé der Europäischen Südsternwarte ESO (die unter anderem das „Very Large Telescope“ – VLT – in Chile betreibt) haben am Mittwoch-Abend angekündigt, dass sie bei der „Pale Red Dot“ Kampagne im Frühling dieses Jahres tatsächlich fündig geworden sind: sie haben einen Planeten gefunden, der alle 11.2 Tage einmal um den Stern kreist und eine Masse von mindestens 1.3 Erdmassen aufweist (Anglada-Escudé et al., 2016). Entdeckt wurde der Planet mit der Radialgeschwindigeits-Methode (auch Doppler-Methode) genannt, bei dem die vom umlaufenden Planeten ausgelöste Hin- und Herbewegung des Sterns mit Hilfe von Spektrallinien im Sternlicht nachgewiesen wird. Neben dem Planeten selbst haben die Forscher auch noch einen Hinweis auf einen zweiten, vermutlich etwas massiveren Planeten weiter draussen im System gefunden, mit einer Umlaufzeit von 60 bis 500 Tagen.
Die Masse ist eine Minimalmasse weil die Neigung der Umlaufbahn des Planeten gegenüber der Sichtlinie unbekannt ist – wäre sie hoch (wenn wir also quasi „von oben“ oder „von unten“ auf das System schauen), dann braucht es für die beobachtete Hin- und Herbewegung des Sterns einen massiveren Planeten. Die wahre Planetenmasse dürfte irgendwo zwischen 1.1 und 1.7 Erdmassen liegen. Damit steht fast sicher fest, dass es sich um einen Felsplaneten handeln muss – zumindest kennt man unter den Tausenden von heute bekannten Exoplaneten keinen, der mit einer derart kleinen Masse noch ein Gasplanet wäre. Was man jedoch nicht weiss ist, wie die Atmosphäre dieser Welt beschaffen ist – sie könnte dick und heiss wie jene der Venus sein, oder dünn und kalt wie jene des Mars.
Eine Möglichkeit, mehr über die Atmosphäre herauszufinden, wäre ein Transit. Die Chance, dass die Bahn des Planeten jedoch genau so geneigt ist, dass er von der Erde aus gesehen vor seinem Stern durchzieht ist ziemlich klein, nur ca. 1.5%. Trotzdem wird man in den kommenden Wochen und Monaten nach einem solchen Transit suchen, denn dann lässt sich die Atmosphäre des Planeten direkt untersuchen (selbst wenn man ihn nicht direkt sieht): man schaut sich das Sternlicht an, wenn der Planet davor steht, und vergleicht es mit dem Sternlicht, wenn der Planet nicht davor steht – die Differenz besteht aus Licht, das durch die Atmosphäre des Planeten gegangen ist. Anhand der absorbierten Wellenlängen im Atmosphären-Licht kann man dann die ungefähre Atmosphären-Zusammensetzung rekonstruieren. Doch wie gesagt – die Chance, dass wir den Planeten im Transit sehen, ist klein.
Interessant ist der Planet aber vor allem deshalb, weil er in einem Abstand von seinem Stern kreist, der flüssiges Wasser an seiner Oberfläche möglich macht – und damit, zumindest grundsätzlich, auch Leben. Proxima b (wie der Planet nun überall genannt wird, obwohl „Proxima Centauri b“ wohl korrekt wäre) kreist zwar in nur gerade 11.2 Tagen um seinen Stern – da dieser aber sehr leuchtschwach ist, kommt trotzdem nur etwa zwei Drittel so viel Strahlung beim Planeten an als die Erde von der Sonne erhält (da die meiste Strahlung aber im Infrarot beim Planeten ankommt, sähe der Stern für ein menschliches Auge nochmals 30 mal trüber aus als die Sonne am Erdhimmel). Die bei Proxima b ankommende totale Strahlungsleistung liegt irgendwo zwischen der Erde und dem Mars – zusammen mit der geringen Masse heisst das, dass Proxima heute (im Sommer 2016) der erdähnlichste Planet überhaupt ist, mit einem „Erdähnlichkeits-Index“ von 0.87. Nimmt man an, dass Proxima eine ähnliche Albedo hat wie die Erde, so liegt die Oberflächentemperatur etwa 20°C tiefer als auf der Erde. Aber die Atmosphäre spielt hier eine wichtige Rolle: der natürliche Treibhauseffekt auf der Erde erhöht deren Oberflächentemperatur um ganze 30°C – bei der Venus sind es sogar gut 500°C. Die unbekannte Dichte und Zusammensetzung der Erde machen es deshalb unmöglich, einen Wert für die Oberflächentemperatur zu bestimmen.
Ein weiterer Unsicherheitsfaktor ist der Umstand, dass Proxima b um einen Roten Zwergstern kreist. Weil die Bahn so eng sein muss, haben hier die Gezeitenkräfte vermutlich dazu geführt, dass der Planet seinem Stern immer die gleiche Seite zuwendet (wie der Erdmond der Erde). Denkbar wäre auch, dass der Planet – wenn er eine dichte Atmosphäre wie die Venus, oder eine exzentrische Bahn wie der Merkur besitzt – diesem Schicksal entkommen ist und sich nun einfach sehr langsam um die eigene Achse dreht. Beim ganz gebundenen Zustand hätte der Planet nur eine Tag- und eine Nachtseite. Von einem Beobachter auf der Oberfläche aus gesehen, würde Proxima also stets an derselben Stelle am Himmel verharren (rund drei Mal so gross wie die Sonne auf der Erde). Die permanente Nachtseite ist eine Gefahr für das Klima des Planeten, weil es dort so kalt werden könnte, dass die Atmosphäre dort ausfriert und einen dicken Eispanzer bildet. Nur wenn die Atmosphäre dicht genug ist – und so dicht wie die Erdatmosphäre würde wohl bereits reichen – kann durch die Atmosphäre genügend Wärme von der heissen Tag- zur kalten Nachtseite transportiert werden, um dieses Ende zu verhindern.
Ein weiteres Problem für die „Lebensfreundlichkeit“ von Proxima b liegt darin, dass Proxima Centauri in den ersten 100-200 Millionen Jahren seines Lebens (man denkt, dass der Stern heute etwa 5 Milliarden Jahre alt ist, ein bisschen älter als die Sonne also) heisser und heller war als heute – dies könnte dazu geführt haben, dass er in jener Zeit viel Wasser ins Weltall verloren hat, und heute knochentrocken ist. Das verdampfende Wasser könnte auch zu einem starken Treibhauseffekt geführt haben (wie wohl einst auf der Venus) und einen heissen, Venus-ähnlichen Planeten zurückgelassen haben. Oder aber, das starke UV-Licht von Proxima Centauri (ca. 60 Mal stärker als auf der Erde) sowie die Röntgenstrahlenausbrüche (ca. 400 Mal stärker) könnten alles atmosphärische Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten haben – der leichte Wasserstoff wäre dann ins All entwichen und der Sauerstoff zurückgeblieben – unter gewissen Bedingungen könnte der Planet also sogar eine atembare Atmosphäre haben… Problematisch könnte allerdings auch Proximas sehr starkes Magnetfeld sein: wenn es stärker ist als jenes des Planeten, könnte Proximas Sternwind die ganze Atmosphäre des Planeten fortgetragen haben.
Auf proximacentauri.info stellen die Astronomen einige Klimamodelle vor, anhand derer sich mögliche Szenarien vergleichen lassen (Ribas et al.; Turbet et al.). Auf der horizontalen Achse steht der Wassergehalt des Planeten (in Metern Wasser bzw. in Erdozeanen), auf der vertikalen Achse steht der CO2-Gehalt der Atmosphäre in bar (1 bar = Atmosphärendruck der Erde). Gezeigt wird das mögliche Klima für zwei Fälle: wenn der Planet gebunden rotiert („Synchronous rotation“) oder wenn er langsam (hier für 3 Rotationen während 2 Umlaufjahren) rotiert („Non-synchronous rotation“). Die Erdatmosphäre kommt auf diesem Diagram nicht vor, denn die Wassermenge liegt bei 1, während der CO2-Gehalt der Atmosphäre in bar bei heute 400 ppm = 400 Teile Pro Million = 0.04% liegt – unterhalb des unteren Endes der Skala. Trotzdem sieht man, dass Proxima b mit einem erdähnlichen Wasser- und CO2-Gehalt eine sehr kalte Sache wäre: entweder ein „Snowball“ (komplett gefrorene Oberfläche) oder ein instabiler Zustand zwischen einer Wassereisgletscher-Oberfläche und einem teilweise von Eis bedeckten Ozean. Der Vergleich mit Hoth (aus Star Wars) oder Rura Penthe (aus Star Trek) drängt sich auf…
Es sind aber, je nach Kombination der Werte, auch andere Szenarien möglich. Wenn Proxima b nur 1% der Wasserreserven der Erde hätte, aber einige bar CO2 in der Atmosphäre, dann könnte es auf der Tagseite des Planeten flüssiges Wasser, ja sogar Seen geben (wie im Titelbild des Artikels – eine künstlerische Darstellung – gezeigt). Bei geringeren CO2-Gehalten könnte es stattdessen eisige Polkappen oder Gletscher auf der Rückseite geben, mit einer trockenen Tagseiten-Region. Und bei Venus-ähnlichen CO2-Gehalten (ca. 90 bar, ganz oben auf der Grafik) wäre alles Wasser verdampft.
Noch ist also noch so ziemlich jedes Szenario möglich. Klarheit über die Oberflächenbedingungen dürfte erst dann entstehen, wenn der Planet direkt beobachtet werden kann – das James Webb Space Telescope (der „Hubble-Nachfolger“), das 2018 starten soll, ist vermutlich nicht gut genug dafür, aber das E-ELT (European Extremely Large Telescope), das ab 2025 mit einem 39-m grossen Spiegel erste Beobachtungen machen soll, sollte den Lichtpunkt des Planeten von seinem Stern trennen können. Vom Planeten direkt reflektiertes Licht wird es dann möglich machen, seine Atmosphären-Zusammensetzung und vielleicht auch Oberflächentemperatur zu bestimmen.
Und dann? Sollte sich Proxima b (trotz der „Flares“, der UV-Strahlung, den Röntgenstrahlenausbrüchen, dem starken Sternmagnetfeld und der gebundenen Rotation) als lebensfreundliche Welt herausstellen, dürfte es nicht lange gehen, bis die Frage nach einer Sondenmission kommen wird – und vielleicht sogar, eines fernen Tages, eine Mission mit Menschen. Mit herkömmlichen Antrieben würde eine solche Reise zehntausende von Jahren dauern. Doch schon jetzt diskutiert das vom russischen Milliardär Yuri Millner finanzierte „Project Breakthrough StarShot“ darüber, eine Hundertschaft von 0.2 Gramm schweren „Chipsats“ – winzige Raumsonden, die nur aus einem kleinen Chip mit Kamera und Sendeeinrichtung bestehen – mit Hilfe von starken Lasern, die auf kleine, an den Chipsats befestigte „Segel“ gefeuert werden, auf 20% der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Eine solche Chipsat-Flotte könnte (einige Verluste unterwegs ausgenommen) nach rund 20 Jahren am Ziel ankommen. Selbst wenn es noch 20 Jahre dauert, bis die Chipsats und starken Laser die technologische Reife erreicht haben – wir könnten bereits etwa 2060 die ersten Bilder haben, die jenem im Titelbild oben nahe kommen. Und danach ist alles offen.
Quellen: ESO Pressemitteilung zur Entdeckung von Proxima b | Anglada-Escudé et al., 2016, Nature (frei zugängliche Preprint-Version auf der ESO Webseite) | Ribas et al., eingereicht (Preprint) | Turbet et al., eingereicht (Preprint)