Planeten mit vulkanischer Aktivität werden als bessere Kandidaten für die Beherbergung von Leben angesehen als Welten ohne solche Prozesse im Innern. Jetzt haben Doktoranden der University of Washington (UW) eine Möglichkeit gefunden, um vulkanische Aktivitäten in den Atmosphären von Exoplaneten nachzuweisen, wenn sie vor ihren Zentralsternen vorbeiziehen. Exoplaneten sind Planeten außerhalb unseres Sonnensystems.
Ihre Ergebnisse wurden in der Juni-Ausgabe des Journals Astrobiology veröffentlicht. Sie könnten die Auswahl der Welten unterstützen, die auf potenzielles Leben untersucht werden sollen und eines Tages sogar helfen, nicht nur zu bestimmen, ob eine Welt bewohnbar ist, sondern auch ob sie tatsächlich bewohnt ist.
Vulkanismus ist ein Schlüsselelement für die Bewohnbarkeit von Planeten. Das liegt daran, dass die vulkanischen Ausgasungen dabei helfen, dass ein Planet moderate, Leben begünstigende Temperaturen aufrechterhalten kann. Außerdem regulieren sie die Atmosphäre durch Gaskreisläufe, beispielsweise von Kohlenstoffdioxid, zwischen der Atmosphäre und dem Mantel.
Der Hauptautor Amit Misra, der seinen Doktortitel erhalten hat, sagte, das Projekt habe im Rahmen eines Astrobiologie-Seminars für Doktoranden an der UW begonnen, als ein Professor fragte, wie man Plattentektonik auf weit entfernten Welten nachweisen könne. Plattentektonik ist das Aufeinanderzubewegen und Aufreißen großer Platten einer planetaren Oberfläche. Die Plattentektonik wird als begünstigender Faktor für die Entstehung des Lebens angesehen, weil sie die Wiederverwertung von Materialien aus der Atmosphäre im Planeteninneren ermöglicht. Einige Wissenschaftler vermuten sogar, dass das Leben auf der Erde an Orten entstand, die von tektonischen Platten erschaffen wurden.
Die Studenten untersuchten verschiedene Modelle, die vorherzusagen versuchten, ob ein Exoplanet Plattentektonik besitzen könnte. Aber in der wissenschaftlichen Literatur fanden sie nur wenig Informationen darüber, wie man Plattentektonik direkt nachweist. Daher fingen sie an nachzudenken. „Ich hatte die Idee, explosive vulkanische Eruptionen als Stellvertreter für Plattentektonik zu betrachten“, sagte Misra. „Ich hatte für andere Projekte an der Modellierung von Aerosolen gearbeitet, die durch Vulkanausbrüche gebildet wurden. Also fing ich an zu schauen, wie wir eine Eruption nachweisen könnten und was sie uns verraten würde.“
Das Team nutzte Daten über Vulkanausbrüche auf der Erde, um vorherzusagen, wie ein erdähnlicher Exoplanet während solcher Eruptionen aussehen könnte. Misra zufolge war der Gedankengang, dass explosive Vulkaneruptionen normalerweise an den Rändern von tektonischen Platten auftreten, was sie in der Tat zu einem guten Indikator macht.
Gase, die durch kleinere, nicht explosive Vulkanausbrüche freigesetzt wurden, neigen dazu, rasch auf die Planetenoberfläche zurückzukehren. Explosive Eruptionen können vulkanische Gase jedoch bis hoch in die Stratosphäre schleudern, wo sie das Spektrum des Planeten stark beeinflussen“, sagte Misra. Die optische Signatur der Gase könnte mit Hilfe leistungsfähiger Teleskope registriert werden, zum Beispiel mit dem James Webb Space Telescope, dessen Start für das Jahr 2018 geplant ist.
Die Co-Autoren sind Joshua Krissansen-Totton, Matthew Koehler und Steven Sholes – alles Doktoranden am Department of Earth and Space Sciences der UW und verbunden mit dem Astrobiologie-Programm der UW.
Aber während der Zusammenhang zwischen Vulkaneruptionen und tektonischen Platten auf der Erde wahr ist, kann das Team laut Misra nicht mit Sicherheit sagen, dass das gleiche überall im Universum gilt. „Dennoch kann eine explosive Eruption wahrscheinlich mit Vulkanismus in Beziehung gesetzt werden, falls falsche Treffer wie Staubstürme ausgeschlossen werden können.“
„Diese langlebigen Aerosole in großer Höhe können ein starkes Signal für einen Exoplaneten verursachen – dies ist das Schlüsselergebnis der Abhandlung“, sagte Misra. „Das bedeutet, dass ein Planet auf unsere Liste der potenziellen Ziele für die Suche nach Leben gesetzt werden sollte, wenn wir eine vulkanische Eruption auf ihm nachweisen können und wenn er andere Kriterien erfüllt, etwa eine Position innerhalb der habitablen Zone.
Die Arbeit könnte Astronomen auch eines Tages helfen abzuleiten, dass ein Planet nicht nur Leben besitzen könnte, sondern tatsächlich Leben besitzt. Misra erklärte, dass Sauerstoff zwar als Indikator für Leben betrachtet werde, aber dass er auch abiotisch produziert werden könne, also durch etwas anderes als biologische Prozesse.
Vulkanismus könnte helfen, zwischen biologisch produziertem Sauerstoff und dem durch andere planetare Prozesse produziertem Sauerstoff zu unterscheiden, indem Astronomen die planetare Umwelt besser verstehen. „Vulkanische Gase reagieren oft mit Sauerstoff und zerstören ihn. Ein Nachweis von Sauerstoff einerseits und Vulkanismus andererseits spricht dafür, dass es in der planetaren Umgebung eine Sauerstoffquelle gibt, die biologischer Natur sein könnte“, sagte Misra.
Die Forschungsarbeit wurde mit Hilfe des Virtual Planetary Laboratory durchgeführt, einer interdisziplinären Forschungsgruppe an der UW. Die Finanzierung erfolgte durch das Astrobiology Institute der NASA.
(THK)
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