Exoplaneten könnten mehr Wasser enthalten als bisher angenommen

Wir wissen, dass die Erde einen Eisenkern hat, der von einem Mantel aus Silikatgestein und Wasser (Ozeanen) auf ihrer Oberfläche umgeben ist. Die Wissenschaft nutzt dieses einfache Planetenmodell bis heute, um Exoplaneten zu untersuchen, also Planeten, die einen anderen Stern außerhalb unseres Sonnensystems umkreisen.

„Erst in den letzten Jahren haben wir erkannt, dass Planeten komplexer sind, als wir dachten“, erklärt Caroline Dorn, Professorin für Exoplaneten an der ETH Zürich.

Die meisten heute bekannten Exoplaneten befinden sich in der Nähe ihres Sterns. Sie bestehen daher hauptsächlich aus Ozeanen geschmolzenen Magmas, die noch nicht abgekühlt sind und einen festen Mantel aus Silikatgesteinen wie die Erde bilden. Wasser löst sich in diesen Magma-Ozeanen sehr gut auf, anders als beispielsweise Kohlendioxid, das schnell ausgast und in die Atmosphäre aufsteigt.

Der Eisenkern liegt unter dem geschmolzenen Mantel aus Silikaten. Wie verteilt sich Wasser zwischen Silikaten und Eisen?

Genau das hat Dorn gemeinsam mit Haiyang Luo und Jie Deng von der Princeton University anhand von Modellrechnungen untersucht, die auf den Grundgesetzen der Physik basieren. Forscher stellen ihre Ergebnisse in der Zeitschrift vor Natürliche Astronomie.

Magmasuppe mit Wasser und Eisen

Um die Ergebnisse zu erklären, muss Dorn ins Detail gehen: „Der Eisenkern braucht Zeit, um sich zu bilden. Ein Großteil des Eisens ist zunächst in Form von Tröpfchen in der heißen Magmasuppe enthalten. » Das in dieser Suppe gebundene Wasser verbindet sich mit diesen Eisentröpfchen und fließt mit ihnen zum Kern. „Die Eisentröpfchen verhalten sich wie ein Aufzug, der vom Wasser nach unten getragen wird“, erklärt Dorn.

Bisher war dieses Verhalten nur für moderate Drücke bekannt, wie sie auch auf der Erde herrschen. Es war unklar, was bei größeren Planeten passierte, wo der Innendruck höher war.

„Das ist eines der zentralen Ergebnisse unserer Studie“, sagt Dorn. „Je größer der Planet und je größer seine Masse, desto mehr Wasser tendiert dazu, den Eisentröpfchen zu folgen und sich in den Kern zu integrieren. Eisen kann unter bestimmten Umständen bis zu 70-mal mehr Wasser aufnehmen als Silikate. Aufgrund des enormen Drucks im Kern liegt das Wasser jedoch nicht mehr in Form von H2O vor.₂„O-Moleküle kommen aber in Wasserstoff und Sauerstoff vor.“

Auch im Inneren der Erde finden sich große Mengen Wasser

Diese Studie wurde im Anschluss an eine Untersuchung des Wassergehalts der Erde ins Leben gerufen, die vor vier Jahren zu einem überraschenden Ergebnis führte: Die Ozeane an der Erdoberfläche enthalten nur einen kleinen Bruchteil des gesamten Wassers unseres Planeten. Darin könnte der Inhalt von mehr als 80 Ozeanen der Erde verborgen sein. Dies zeigen Simulationen, die das Verhalten von Wasser unter ähnlichen Bedingungen berechnen, wie sie in jungen Jahren der Erde herrschten. Die seismologischen Experimente und Messungen sind daher kompatibel.

Neue Erkenntnisse über die Wasserverteilung auf den Planeten haben dramatische Folgen für die Interpretation astronomischer Beobachtungsdaten. Dank ihrer Teleskope im Weltraum und auf der Erde können Astronomen unter bestimmten Bedingungen das Gewicht und die Größe eines Exoplaneten messen. Aus diesen Berechnungen erstellen sie Masse-Radius-Diagramme, die Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Planeten zulassen. Wenn wie bisher die Wasserlöslichkeit und -verteilung vernachlässigt wird, kann die Wassermenge deutlich um das Zehnfache unterschätzt werden.

„Die Planeten sind viel wasserreicher als bisher angenommen“, sagt Dorn.

Die Geschichte der Evolution verstehen

Auch die Verteilung des Wassers ist wichtig, wenn wir die Entstehung und Entwicklung von Planeten verstehen wollen. Das in den Kern geflossene Wasser bleibt dort für immer eingeschlossen. Im Gegensatz dazu kann gelöstes Wasser im Magma-Ozean des Mantels Gas verlieren und an die Oberfläche aufsteigen, wenn der Mantel abkühlt.

„Wenn wir Wasser in der Atmosphäre eines Planeten finden, befindet sich darin wahrscheinlich noch viel mehr“, sagt Dorn.

Das will das James-Webb-Weltraumteleskop herausfinden, das seit zwei Jahren Daten vom Weltraum zur Erde sendet. Es ist in der Lage, Moleküle in der Atmosphäre von Exoplaneten zu verfolgen.

„Nur die Zusammensetzung der oberen Atmosphäre von Exoplaneten kann direkt gemessen werden“, erklärt der Wissenschaftler. „Unsere Gruppe möchte den Zusammenhang zwischen der Atmosphäre und den Tiefen von Himmelskörpern herstellen. »

Besonders interessant sind die neuen Daten des Exoplaneten namens TOI-270d.

„Es wurden Beweise für die Existenz solcher Wechselwirkungen zwischen dem Magma-Ozean im Inneren und der Atmosphäre gesammelt“, erklärt Dorn, der an der entsprechenden Veröffentlichung zu TOI-270d beteiligt war. Zu den interessanten Objekten, die sie genauer untersuchen möchte, gehört auch der Planet K2-18b, der wegen der Wahrscheinlichkeit, dass er Leben beherbergt, für Schlagzeilen sorgt.

Sind Wasserwelten letztlich lebenstauglich?

Wasser ist eine der Voraussetzungen für die Entwicklung von Leben. Über die potenzielle Bewohnbarkeit wasserreicher Supererden, also Planeten, deren Masse ein Vielfaches der Erde beträgt und deren Oberfläche von einem tiefen Ozean bedeckt ist, wird schon seit Längerem spekuliert. Spätere Berechnungen ergaben, dass zu viel Wasser lebensfeindlich sein könnte. Das Argument war, dass in diesen Wasserwelten eine Schicht aus exotischem Hochdruckeis den Austausch lebenswichtiger Substanzen an der Grenzfläche zwischen Ozean und Planetenmantel verhindern würde.

Die neue Studie kommt zu einem anderen Ergebnis: Planeten mit tiefen Wasserschichten dürften selten sein, da sich das meiste Wasser auf Supererden nicht, wie bisher angenommen, an der Oberfläche befindet, sondern im Kern eingeschlossen ist. Wissenschaftler schließen daraus, dass selbst Planeten mit relativ hohem Wassergehalt das Potenzial haben könnten, bewohnbare Bedingungen zu entwickeln, die denen auf der Erde ähneln. Dorn und seine Kollegen kommen zu dem Schluss, dass ihre Studie ein neues Licht auf die mögliche Existenz wasserreicher Welten wirft, die Leben ermöglichen könnten.