Mögliche Methoden zum Nachweis von Ozeanen auf erdähnlichen Exoplaneten

Aufgrund der Vielzahl an bestätigten Exoplaneten widmen viele Forscher ihre Aufmerksamkeit der detaillierteren Untersuchung dieser fremden, neuen Welten. Mehrere Exoplaneten umkreisen ihren Zentralstern in der „habitablen Zone“, wo flüssiges Wasser stabil sein könnte und es befinden sich derzeit verschiedene Methoden für den Nachweis von Oberflächenwasser in der Entwicklung. Eine der vorgeschlagenen Methoden zum Nachweis von Wasserozeanen auf einem Exoplaneten funktioniert über die Spiegelreflexion, auch bekannt als „Schimmer“ (engl.: „glint“). Wenn man schon einmal eine helle Reflexion des Sonnenlichts auf einem See oder Meer hier auf der Erde gesehen hat, dann hat man ein Beispiel für diesen Schimmer-Effekt beobachtet.

Wissenschaftler denken, dass Oberflächenozeane auf Exoplaneten die scheinbare Reflektivität – die so genannte Albedo – beeinflussen würden. Dieser Anstieg der Albedo sollte während der sichelförmigen Phase eines Planeten registrierbar sein.

In diesem Modell müssen Astronomen nicht die gesamte „Scheibe“ eines Planeten sehen, der dann von unserem Beobachtungsstandort aus gesehen das Licht wie ein Vollmond reflektieren würde. Stattdessen können sie reflektiertes Sternlicht in der Dreiviertelphase eines Planeten registrieren, bei der wir nur einen Teil des gesamten Lichts sehen. Es ist sogar möglich, einen Exoplaneten in einer sichelförmigen Phase zu beobachten, wenn nur ein kleiner Streifen aus reflektiertem Licht sichtbar ist.

Ein Schimmer im Auge

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Nicolas Cowan von der Northwestern University untersucht das „Schimmer“-Modell für den Nachweis von Ozeanen auf Exoplaneten. Cowan und sein Team nutzten ein Modell eines erdähnlichen Planeten, um reflektierte Lichkurven zu simulieren.

Cowan unterstreicht die Bedeutung einer zuverlässigen Methode für den Nachweis von Ozeanen auf Exoplaneten und betont: „Astronomen sind erpicht darauf herauszufinden, wie man Ozeane auf Exoplaneten registrieren kann, weil Biologen uns versichern, dass flüssiges Wasser für Leben wie wir es kennen notwendig ist. Die Herausforderung ist, dass Exoplaneten weit entfernt sind und im besten Fall als Carl Sagans sprichwörtlicher „schwacher blauer Punkt“ erscheinen.

Obwohl ihr Modell keine Spiegelreflexion mit einschließt, waren die Wissenschaftler in der Lage, Schimmer-ähnliche Veränderungen zu beobachten. Planeten mit einer mäßigen Neigung erhalten weniger Licht an ihren Polen als an ihrem Äquator. Die geringeren Lichtmengen würden in kühleren Temperaturen resultieren und die Anhäufung von Schnee und Eis an den Polen erlauben.

Das Team zeigte, dass ein mäßig geneigter Planet bei sichelförmigen Phasen mehr Licht aus höheren Breiten (wie den Polen) zu reflektieren scheint als bei Dreiviertelphasen. Weil Schnee und Eis so reflektiv sind, wird das scheinbare Reflexionsvermögen ansteigen, wenn ein Planet in seiner sichelförmigen Phase beobachtet wird. Cowan und sein Team erklären mit Nachdruck, dass dieser „Breiten-Albedo-Effekt“ mit dem Schimmer von Ozeanen auf Exoplaneten verwechselt werden könne.

„Das Problem ist, dass das Licht, das wir von einem Planeten in seiner sichelförmigen Phase sehen, den Planeten in einem schrägen Winkel trifft“, ergänzt Cowan. „Was für Orte empfangen streifendes Sonnenlicht? Man könnte eine Region im Morgengrauen oder bei Dämmerung vor sich haben, aber viel wahrscheinlicher beobachtet man einen kalten Ort, weil streifendes Sonnenlicht exakt das ist, was einen Ort kalt macht. Niedrige Temperaturen bedeuten, dass die Oberfläche mit höherer Wahrscheinlichkeit von Schnee und Eis bedeckt ist. Weil Schnee und Eis sehr reflektiv sind, sieht der Planet in sichelförmigen Phasen ungewöhnlich hell aus – unabhängig davon, ob er Ozeane besitzt.“

Die Suche nach Exo-Ozeanen

In der Abhandlung hebt das Team drei mögliche Methoden hervor, um Flüssigkeit auf der Oberfläche eines Exoplaneten zu registrieren. Die erste Methode, „rotational color variability“ (etwa: rotierende Farbveränderungen), basiert auf der Tatsache, dass Ozeane auf der Erde dunkler sind und unterschiedliche Farben haben als andere Oberflächentypen. Im Laufe der Zeit können Farbveränderungen eines räumlich nicht aufgelösten Planeten das Vorhandensein von Ozeanen aus flüssigem Wasser verraten.

Die zweite Methode stützt sich auf die Ausrichtung der reflektierten Lichtwellen (Polarisation). Ozeane sind glatter als andere Oberflächentypen und können die von der Wasseroberfläche reflektierten Lichtwellen gleichrichten und das reflektierte Licht dadurch polarisieren. Beobachtungen des polarisierten Erdscheins deuten darauf hin, dass Veränderungen der Polarisation Astronomen bei dem Nachweis von Ozeanen helfen könnten.

Und zuletzt besagt die Spiegelreflexion, dass Ozeane in der Lage sind, Licht ähnlich wie ein Spiegel zu reflektieren, besonders bei sichelförmigen Phasen. „Wasser kann dies tun, weil es viel glatter als Land, Bäume oder Schnee ist“, sagt Cowan. „Auch wenn das reflektierende Gebiet klein ist, lässt es einen Planeten in der sichelförmigen Phase ungewöhnlich hell erscheinen. Deshalb könnte man imstande sein, die Anwesenheit eines schimmernden Ozeans abzuleiten, wenn man die Helligkeit eines Planeten beobachtet, während er seinen Zentralstern umkreist.“

Das Team bezog sich auf frühere Forschungen, welche zeigten, dass Wolken und die Streuung von reflektiertem Licht bei sichelförmigen Phasen ein Schimmersignal imitieren können. Das Team betonte auch, dass jede für den Nachweis von Oberflächenozeanen auf einem Planeten benutzte Methode durch atmosphärische Wolken behindert werden würde. Man hat gezeigt, dass die drei zuvor aufgelisteten Techniken mit großer Sicherheit auf erdähnlichen Planeten funktionieren, die etwa 50 Prozent Wolkenbedeckung aufweisen.

In der Abhandlung des Teams, die für die Veröffentlichung im Astrophysical Journal (ApJ) akzeptiert wurde, liegt der Fokus auf der Spiegelreflexionsmethode. Die Forschungsarbeit zeigt, dass Planeten in der habitablen Zone ihres Zentralsterns dazu tendieren, Schnee und Eis in den am wenigsten mit Licht beschienenen Regionen zu besitzen, was zu falschen Bestätigungen von Ozeanschimmer führt, unabhängig von der Achsenneigung.

Unter Berücksichtigung der Ergebnisse von den Simulationen denken Cowan und sein Team, dass der Breiten-Albedo-Effekt eine interessante Herausforderung bei dem Nachweis der Spiegelreflexion (dem Schimmer) darstellt. Das Team stellt klar, dass die Albedo bei sichelförmigen Phasen ansteigen und in den auf- und absteigenden Phasen symmetrisch sein muss, um ein Signal als tatsächlichen Nachweis von flüssigem Wasser zu bestätigen.

Zusätzlich zu den Problemen mit dem Anstieg der Albedo hat das Team die Achsenneigung des Planeten als eine andere entscheidende Variable ausgemacht. Sie beschreibt, wie weit der „Nord“-Pol eines Planeten in Richtung der Beobachter auf der Erde oder von ihnen weg gekippt ist.

Außerdem: Wenn auf einem Planeten kein Schnee oder Eis vorhanden ist, oder wenn die Oberfläche von einer dicken Wolkenschicht verdeckt wird, wird sich der Breiten-Albedo-Effekt immer noch auswirken, falls die kältesten Regionen des Planeten größtenteils wolkenverhangen sind. Das Team unterstreicht, dass dieses Szenario in ihren Simulationen vorhanden ist, aber kein gängiger Fall sein könnte, weil die Position des Planeten innerhalb der habitablen Zone eine Rolle bei den atmosphärischen Bedingungen und den Temperaturen auf der Oberfläche spielen könnte.

Der Nachweis von Ozeanschimmer auf erdähnlichen Exoplaneten könnte nur möglich sein, wenn die Auswirkungen von Wolken, Schnee und Eis exakt modelliert werden können. Das Team sagt, dass Beobachtungsmission mit „hohem Kontrast“ in der Lage sein sollten, die scheinbare Albedo von Gesteinsplaneten zu überwachen, die ihren Zentralstern in der habitablen Zone umkreisen.

Basierend auf den Ergebnissen der Simulationen vertritt das Team die Meinung, dass der Breiten-Albedo-Effekt die Anstrengungen beschränken wird, reflektiertes Licht von terrestrischen Planeten in der habitablen Zone von Zwergsternen der M-Klasse zu interpretieren.

Referenz: „A false positive for ocean glint on exoplanets: The latitude-albedo effect“
http://arxiv.org/pdf/1205.1058v1.pdf

Quelle: http://www.astrobio.net/exclusive/4882/can-astronomers-detect-exoplanet-oceans

(THK)