Möchten Sie bewohnbare Planeten außerhalb unseres Sonnensystems finden? Dann müssen wir die „Drei-Körper-Menschen“ um Territorium bitten

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Shanqin

Hersteller: China Science Expo

Am 9. Januar 2023 wurde in einem Artikel mit Jacob Lustig-Yaeger und Guangwei Fu als Co-Erstautoren bekannt gegeben, dass das James Webb-Weltraumteleskop (im Folgenden „Webb“ genannt) einen neuen Planeten außerhalb des Sonnensystems (Exoplaneten) bestätigt und sein Transmissionsspektrum erhalten hat. [Anmerkung 1]

Da Masse und Radius dieses Planeten denen der Erde sehr nahe kommen, behaupteten einige Medien sogar, Webb habe einen bewohnbaren Planeten entdeckt (das heißt einen Planeten, der für das Überleben und die Entwicklung von Leben geeignet ist).

Wie also hat Webb die Existenz von Exoplaneten bestätigt? Ist dieser Planet wirklich bewohnbar? Wenn wir eines Tages zur „nächsten Erde“ reisen würden, welches Ziel sollte unser Ziel sein?

Verfolgen wir die Forschung der Wissenschaftler und finden wir Schritt für Schritt Antworten auf diese Fragen.

1. TESS entdeckt Transitsignale und lässt auf die Existenz von Exoplaneten schließen

Beachten Sie zunächst, dass wir oben gesagt haben, Webb habe einen Exoplaneten „bestätigt“ und nicht „entdeckt“, denn tatsächlich war es der Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), der ihn zuerst entdeckte.

TESS im Reinraum

(Bildnachweis: NASA)

Gemäß den Benennungsregeln für Exoplaneten wird der erste bestätigte Planet um einen Stern nach der Sternnummer plus dem Buchstaben b nummeriert. Der Mutterstern des von Webb bestätigten Exoplaneten ist LHS 475, daher trägt der Exoplanet die Nummer LHS 475b.

LHS 475 ist ein roter Zwergstern, der sich in Richtung des Sternbilds Antarktis befindet, etwa 41 Lichtjahre von der Erde entfernt (1 Lichtjahr = 9,46 Billionen Kilometer).

Künstlerische Darstellung eines roten Zwergsterns und eines ihn umkreisenden Planeten.

(Bildquelle: National Science Foundation)

Rote Zwerge gehören zu den Hauptreihensternen. Was ist ein Hauptreihenstern? Einfach ausgedrückt ist ein Hauptreihenstern ein Stern, in dem nur Wasserstofffusionsreaktionen stattfinden. Unsere Sonne ist ebenfalls ein Hauptreihenstern und ein gelber Zwerg. Das „Rot“ und „Gelb“ in Rotem Zwerg und Gelbem Zwerg geben jeweils ihre ungefähren Farben wieder. Rote Zwerge sind kühler als Gelbe Zwerge und erscheinen daher rot. Viele Leser sind vielleicht eher mit Weißen Zwergen vertraut als mit Roten Zwergen und Gelben Zwergen. Es ist jedoch zu beachten, dass Weiße Zwerge keine Hauptreihensterne sind.

Theoretisch sind Rote Zwerge der häufigste Sterntyp im Universum. Ihre Masse, Temperatur, Radius und thermische Helligkeit sind alle geringer als die der Sonne. Frühere Studien haben gezeigt, dass LHS 475 eine Masse von etwa dem 0,26-fachen der Sonne, einen Radius von etwa dem 0,28-fachen der Sonne, eine Oberflächentemperatur von etwa 3300 K (die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt 5772 K) und eine thermische Helligkeit von dem 0,009-fachen der Sonne besitzt.

Die Existenz von LHS 475b wurde erstmals vermutet, weil TESS 45**** periodische Transitsignale in der Helligkeit von LHS 475 beobachtete .

Was ist ein Transitsignal? Dies beginnt mit einer der wichtigsten Methoden zur Suche nach Exoplaneten: der „Transitmethode“.

Mit „Transit“ ist die Abschwächung der Helligkeit eines Sterns gemeint, die dadurch entsteht, dass das von anderen, viel kleineren Himmelskörpern ausgestrahlte Licht blockiert wird. Die Phänomene „Venustransit“ und „Merkurtransit“, die dadurch verursacht werden, dass Venus und Merkur im Sonnensystem die Sonne blockieren, sind beides Transitphänomene.

Aus der periodischen Helligkeitsabnahme von Sternen kann geschlossen werden, dass diese Transitphänomene durchlaufen haben und somit darauf, dass sie Planeten besitzen.

Abbildung: Schematische Darstellung eines Planeten, der einen Teil des von einem Stern ausgestrahlten Lichts blockiert und so ein Transitphänomen verursacht. Das Transitphänomen verursacht eine periodische Vertiefung in der Helligkeitsvariationskurve (Lichtkurve) des Sterns. Da Planeten viel kleiner als Sterne sind, sind die durch jede Bedeckung verursachten Helligkeitsänderungen sehr gering.

(Bildnachweis: Hans Deeg)

TESS verfügt über vier kleine Teleskope mit einem Durchmesser von 10 cm und ist mit vier CCDs ausgestattet. Das gesamte Sichtfeld beträgt bis zu 2.300 Quadratgrad, was der Fläche von etwa 12.100 Vollmonden am Himmel entspricht, also mehr als 5 % der gesamten Himmelsfläche.

Daher kann es eine große Anzahl von Sternen gleichzeitig beobachten.

Darüber hinaus wird TESS jedes Gebiet mindestens 27 Tage lang weiter beobachten. Bei Planetensystemen, bei denen alle paar Tage ein Transit stattfindet, ist es möglich, mehrere vollständige Transite in einem Beobachtungszyklus zu beobachten.

Wenn die Augen von TESS auf die Region gerichtet sind, in der sich LHS 475 befindet, sieht es, wie LHS 475 jeweils etwa 40 Minuten lang vorbeizieht und sich dabei jeweils um 0,978 Promille abschwächt.

Solche regelmäßigen Daten bedeuten, dass es periodisch von einem Planeten verdeckt werden kann.

Daher erhielt der mögliche Planet, der LHS 475 umkreist, die vorläufige Bezeichnung TOI 910.01. Nachfolgende Studien haben gezeigt, dass TOI 910.01, falls er tatsächlich existiert, seinen Mutterstern alle 2,029 Tage umkreist.

2. Webb übernimmt und bestätigt die Identität von Exoplaneten

Das von Lustig-Yaeger und Fu geleitete Team (nachfolgend „LF-Team“ genannt) beobachtete die Helligkeitsentwicklung von LHS 475 zweimal, am 31. August 2022 und am 4. September 2022, mit Webbs Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec), wobei jede Beobachtung 4,4 Stunden dauerte.

Nahinfrarotspektrometer in einem Reinraum.

(Bildquelle: Astrium GmbH – Astrium GmbH)

Nach Erhalt der Spektraldaten synthetisierte das LF-Team die Helligkeit verschiedener Bänder zu einer Gesamthelligkeit.

Die beiden Beobachtungen des LF-Teams bestätigten, dass die Helligkeit von LHS 475 periodisch abnimmt, wobei jedes Dimmverhältnis 1,06 Promille beträgt, was sehr nahe an den 0,978 Promille liegt, die aus den TESS-Daten gewonnen wurden, was indirekt die Empfindlichkeit von TESS bestätigt.

Die Datenanalyse des LF-Teams schloss die Möglichkeit eines falsch positiven Ergebnisses vollständig aus und bestätigte somit , dass es einen Planeten gibt, der den Stern regelmäßig verdeckt : LHS 475 b (früher TOI 910.01).

Ein von Webb erstelltes Diagramm zur Helligkeitsentwicklung des Sterns LHS 475. Die horizontale Achse ist die Zeit in Stunden; Die vertikale Achse ist die relative Helligkeit. Um die Unterscheidung zu erleichtern, wurden die beiden aus den beiden Beobachtungen gewonnenen Datensätze um eine gewisse Distanz entlang der vertikalen Achse verschoben.

(Bildquelle: Lustig-Yaeger & Fu, et al. 2023, arXiv:2301.04191v1)

Dies ist der erste von Webb bestätigte Exoplanet. Obwohl Webb zuvor bereits die Lichtkurve und das Spektrum des Exoplaneten WASP-96b sowie Bilder von HIP 65426b aufgenommen hatte, wurden diese alle vor Webbs Beobachtungen durch andere Teleskope bestätigt.

Natürlich reichen die 45 Transitbeobachtungen von TESS aus, um die meisten Menschen von der Existenz dieses Exoplaneten zu überzeugen, bevor weitere Untersuchungen und Bestätigungen durchgeführt werden. Denn obwohl Phänomene wie Sonnenflecken und Flares leichte Änderungen der Gesamthelligkeit eines Sterns verursachen können, können sie nicht so regelmäßig auftreten.

Künstlerische Darstellung von LHS 475, das auf LHS 475b scheint.

(Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI))

Anhand der Daten stellte das LF-Team fest, dass die große Halbachse der Umlaufbahn von LHS 475b etwa dem 15,87-fachen Radius des Sterns entspricht. In Kombination mit dem Sternradius entspricht dieser Wert ungefähr 0,02 astronomischen Einheiten (1 astronomische Einheit = die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Sonne = 149,6 Millionen Kilometer).

Bei einer so geringen Entfernung kommt es zu einem Phänomen namens „Gezeitensperre“, bei dem eine Seite des Planeten immer dem Stern zugewandt ist (es ist also immer Tag), während die andere Seite immer vom Stern abgewandt ist (es ist also immer Nacht).

3. Hat LHS 475b das Potenzial, ein bewohnbarer Planet zu sein? Von der Temperatur zur Atmosphäre, die drei aufeinanderfolgende

Anhand zuvor erhaltener Spektraldaten berechnete das LF-Team, dass der Durchmesser von LHS 475b etwa 99 % des Erddurchmessers beträgt. Unter der Annahme, dass seine Dichtestruktur der der Erde ähnelt, schlussfolgerten sie, dass seine Masse etwa 91 % der Erdmasse beträgt.

Künstlerische Darstellung von LHS 475b.

(Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, L. Hustak (STScI))

Auf den ersten Blick scheint der Planet etwa so groß wie die Erde zu sein, eine Ähnlichkeit, die manche fälschlicherweise glauben lassen könnte, LHS 475b sei ein bewohnbarer Planet.

Ist es also wirklich bewohnbar?

Tatsächlich gibt es viele Voraussetzungen, damit ein Planet bewohnbar ist. Die Mindestvoraussetzung besteht darin, dass zumindest einige Gebiete weder zu kalt noch zu heiß sind, sodass flüssiges Wasser existieren kann.

Aber erinnern Sie sich? Wie bereits erwähnt, ist LHS 475b nur 0,02 astronomische Einheiten von seinem Mutterstern entfernt, sodass seine Durchschnittstemperatur insgesamt relativ hoch ist. Berechnungen des LF-Teams zeigen, dass seine Gesamtdurchschnittstemperatur 586 K (313 Grad Celsius) erreicht; besitzt er keine oder nur eine dünne Atmosphäre, erreicht die Temperatur auf der dem Stern zugewandten Seite 748 K (475 Grad Celsius). Offensichtlich ist seine Temperatur zu hoch und für die Existenz von Leben nicht geeignet.

Zusätzlich zu den hohen Temperaturen ist die Atmosphäre dieses Planeten möglicherweise nicht für das Überleben und die Entwicklung von Leben geeignet.

Basierend auf Beobachtungen von Webbs Nahinfrarotspektrometer erhielt das LF-Team das Transmissionsspektrum von LHS 475, obwohl das erhaltene Transmissionsspektrum eine geringe Genauigkeit aufwies und die Eigenschaften irgendwelcher Elemente oder Moleküle nicht zeigen konnte.

Durch die Anpassung der Spektraldaten konnten jedoch mehrere Atmosphärenmodelle, insbesondere solche, die denen der Erde ähnlich sind, immer noch ausgeschlossen werden. Ihre Modelle lassen darauf schließen, dass der Planet, selbst wenn er eine Atmosphäre hätte, nur eine Atmosphäre wie der Mars/die wolkige Venus/der neblige Titan hätte. Eine solche Atmosphäre ist offensichtlich unbewohnbar.

Die von Webb erhaltenen Transmissionsspektrumdaten des Sterns LHS 475b (schwarze Punkte, die schwarzen Linien zeigen den Fehlerbereich an) und die beste Anpassung der Spektrumdaten an verschiedene Atmosphärenmodelle: Die orange Linie stellt das Sonnenatmosphärenmodell mit der 1000-fachen Metallhäufigkeit dar, die violette Linie stellt das Atmosphärenmodell mit Wasserdampf dar, die schwarze Linie stellt das Atmosphärenmodell mit Kohlendioxid dar, die hellrosa Linie stellt das Atmosphärenmodell mit Methan dar, die cyanfarbene Linie stellt das Atmosphärenmodell der Erde dar und die grau gepunktete Linie stellt das Modell mit oder ohne Atmosphäre dar.

(Bildquelle: Lustig-Yaeger & Fu, et al. 2023, arXiv:2301.04191v1)

Wenn also jemand darauf besteht, dass LHS 475b ein bewohnbarer Planet ist, kann er dies nur dreifach dementieren.

Tatsächlich bestätigte diese Beobachtung von Webb lediglich die Existenz eines „terrestrischen Planeten“ (eine Art Gesteinsplanet) ähnlicher Größe wie die Erde und nutzte das erhaltene Transmissionsspektrum, um seinen atmosphärischen Typ einzugrenzen.

In der Abhandlung des LF-Teams wird auch überhaupt nicht behauptet, dass sie einen bewohnbaren Planeten gefunden hätten (weil das nicht der Fall ist!). Sie betonen die Einschränkungen, die Webbs Daten hinsichtlich der atmosphärischen Zusammensetzung von LHS 475b bieten, und die Genauigkeit von Webbs Beobachtungen – sie sind empfindlich genug für Helligkeitsänderungen von weniger als 50 ppm.

Dies ist nicht das erste Mal, dass Astronomen Transmissionsspektren von Gesteinsplaneten erhalten haben. Das Hubble-Weltraumteleskop und das Spitzer-Weltraumteleskop haben bereits zuvor Transmissionsspektren einiger Gesteinsplaneten erhalten und diese Spektren verwendet, um einige Atmosphärenmodelle auszuschließen.

4. Wenn Sie die „nächste Erde“ auswählen müssten, welcher bisher entdeckte Planet hat das größte Potenzial?

Nachdem so viel gesagt wurde, scheinen alle Nachrichten enttäuschend zu sein. Aber wir müssen nicht pessimistisch sein: Obwohl LHS 475b kein bewohnbarer Planet ist, haben Astronomen zuvor einige potenziell bewohnbare Planeten bestätigt. Beispielsweise könnten sich vier der sieben Planeten in TRAPPIST-1 (TRAPPIST-1d, e, f und g) in der bewohnbaren Zone befinden. Die Gesamtdurchschnittstemperaturen von TRAPPIST-1d und TRAPPIST-1e betragen etwa 286,2 K (13,1 Grad Celsius) bzw. 249,7 K (−23,5 Grad Celsius) und ihre Massen betragen etwa das 0,4- bzw. 0,7-fache der Erdmasse.

Eine Sammlung künstlerischer Darstellungen einiger der bestätigten möglicherweise bewohnbaren Planeten. Die Zahl in Klammern unter jedem Planeten gibt seine Entfernung in Lichtjahren (Lj) an. Zur besseren Vergleichbarkeit sind die Größen von Erde, Mars, Jupiter und Neptun ebenfalls proportional auf der rechten Seite des Bildes angeordnet.

(Bildnachweis: PHL @ UPR Arecibo)

Von diesen bewohnbaren Planeten ist uns Proxima b am nächsten, der Proxima Centauri umkreist .

Auch Proxima Centauri ist ein roter Zwergstern mit relativ geringer Helligkeit und einer Entfernung von nur 4,2 Lichtjahren zu uns. Proxima b ist 0,05 Astronomische Einheiten von Proxima Centauri entfernt und hat eine Durchschnittstemperatur von etwa 234 K (−39 Grad Celsius).

Eine künstlerische Darstellung von Proxima b (rechts) und seiner Größe im Vergleich zur Erde (links). (Bildnachweis: PHL @ UPR Arecibo, NASA EPIC Team)

Für Science-Fiction-Fans ist Proxima Centauri ein bekannter Stern. Die „Drei-Körper-Menschen“ im Roman „Die drei Sonnen“ leben vermutlich auf einem Planeten, der Proxima Centauri umkreist. Obwohl Astronomen die Existenz dieses Planeten (Proxima b) erst 2016 bestätigten, gingen viele Romane bereits zuvor von der Existenz von Planeten um Proxima Centauri aus. Im Jahr 2019 bestätigten Astronomen zwei weitere Planeten um Proxima Centauri, Proxima c und Proxima d. Die Existenz von Proxima c wurde jedoch im Jahr 2022 in Frage gestellt.

Proxima Centauri und der nahe Doppelstern Alpha Centauri bilden ein Dreifachsternsystem. Der Roman „Das Dreikörperproblem“ geht davon aus, dass die Planeten von Proxima Centauri im Dreifachsternsystem instabil sind, was zu einem Wechsel von „stabiler Ära“ und „chaotischer Ära“ führt.

Könnte ein solches Szenario wirklich eintreten? Tatsächlich ist die Entfernung zwischen Alpha Centauri und Proxima Centauri so groß, dass es zu keinen Interferenzen mit dem gesamten Proxima-Centauri-System kommt und das im „Dreikörperproblem“ beschriebene „Zeitalter des Chaos“ auf Proxima b nicht eintreten wird.

Wenn unsere Nachkommen eines Tages mit einem Raumschiff zu einem bewohnbaren Planeten außerhalb des Sonnensystems migrieren möchten, sollte Proxima b nach der aktuellen Situation die erste Wahl sein. Mit anderen Worten: Wenn wir bewohnbare Planeten außerhalb des Sonnensystems finden wollen, müssen wir die imaginären „Three-Body People“ um Territorium bitten.

Künstlerische Darstellung der Topographie von Proxima b. Außerdem sind Proxima Centauri (der scheibenförmige Stern), der oben zu sehen ist, und der weiter entfernte Doppelstern Alpha Centauri (die beiden Punkte direkt über und rechts von Proxima Centauri) zu sehen.

(Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser)

Im Roman kann das technologische Niveau der „Trisolaraner“ das der Menschen auf der Erde übertreffen; aber in Wirklichkeit hat sich dort möglicherweise noch kein höheres Leben entwickelt, und das Leben auf Proxima b ist möglicherweise nicht so weit entwickelt wie die Bärtierchen. Wenn es dort draußen tatsächlich außerirdisches Leben mit einer Zivilisation gibt, die der Erde weit überlegen ist, können sie mit einem Koronographen ganz einfach das Sonnenlicht blockieren und so Bilder der Erde aufnehmen, ohne darauf warten zu müssen, dass Ye Wenjie ihnen die Koordinaten der Erde sendet, bevor sie etwas unternehmen können.

Daher glaubt der Autor, dass wir, wenn wir in Zukunft zu einem bewohnbaren Planeten außerhalb des Sonnensystems aufbrechen wollen, sicher zu Proxima b gehen können, um neues Land zu erschließen und eine Heimat wieder aufzubauen.

Natürlich sind dies nur Fantasien über die ferne Zukunft. Obwohl Proxima Centauri relativ nahe ist, würde es beim derzeitigen Stand der Technik Zehntausende von Jahren dauern, bis ein von Menschen gestartetes Raumschiff dort ankäme. während dieser Zeit müssten sich Tausende von Menschen auf dem Raumschiff fortpflanzen. In absehbarer Zukunft ist es dem Menschen nicht möglich, einen solchen Flug durchzuführen. Selbst wenn Proxima b tatsächlich bewohnbar wäre, dürfte es für uns daher kurzfristig schwierig sein, ihn zu erreichen. Aus diesem Grund müssen wir diesen kostbaren und wunderschönen blauen Planeten schätzen und schützen – er ist heute unsere einzige bewohnbare Heimat. [Anmerkung 2]

Hinweise

[Anmerkung 1] Wenn ein Planet eine Atmosphäre hat, dann muss sich das Sternenlicht, das durch die Atmosphäre des Planeten dringt, vom ungehinderten Sternenlicht unterscheiden. Durch Vergleichen der Differenz zwischen den beiden können wir das Transmissionsspektrum erhalten. Weitere Untersuchungen des Transmissionsspektrums könnten uns dabei helfen, die Arten der Elemente oder Moleküle zu bestimmen, die in der Atmosphäre des Planeten enthalten sind.

[Anmerkung 2] Proxima b und andere ähnliche Planeten sind potenziell bewohnbare Planeten, aber nicht unbedingt bewohnbare Planeten. Die Erde ist derzeit der einzige bestätigte bewohnbare Planet.