Plausibilitätsprüfung – Bewohnbare Planeten um rote Riesen

Während Planeten, die Zwillingssterne umkreisen, ein Grundnahrungsmittel der Science-Fiction sind, leben Menschen auf Planeten, die rote Riesensterne umkreisen. Der Großteil der Geschichte von Planet der Affen findet auf einem Planeten um Betelgeuse statt. Planeten um Arcturus in Isaac Asimovs Stiftung Serien bilden die Hauptstadt seines Sirius-Sektors. Supermans Heimatplanet soll den fiktiven roten Riesen Rao umkreisen. Rassen auf diesen Planeten werden oft als alt und weise dargestellt, da ihre Sterne gealtert sind und sich dem Ende ihres Lebens nähern. Aber ist es wirklich plausibel, solche Planeten zu haben?

Sterne halten nicht ewig. Unsere eigene Sonne hat ein Verfallsdatum in ungefähr 5 Milliarden Jahren. Zu diesem Zeitpunkt ist die Menge an Wasserstoffbrennstoff im Kern der Sonne aufgebraucht. Gegenwärtig führt die Fusion dieses Wasserstoffs zu Helium zu einem Druck, der verhindert, dass der Stern aufgrund der Schwerkraft in sich zusammenfällt. Aber wenn es ausgeht, wird dieser Unterstützungsmechanismus weg sein und die Sonne wird anfangen zu schrumpfen. Durch dieses Schrumpfen erwärmt sich der Stern wieder und erhöht die Temperatur, bis eine Wasserstoffhülle um den jetzt erschöpften Kern heiß genug wird, um die Aufgabe des Kerns zu übernehmen, und beginnt, Wasserstoff mit Helium zu verschmelzen. Diese neue Energiequelle drückt die äußeren Schichten des Sterns zurück und lässt ihn auf das Tausendfache seiner vorherigen Größe anschwellen. Die heißere Temperatur, um diese Form der Fusion zu entzünden, bedeutet, dass der Stern insgesamt 1.000 bis 10.000 Mal so viel Licht abgibt. Da sich diese Energie jedoch über eine so große Oberfläche verteilt, erscheint der Stern rot, daher der Name.

Das ist also ein roter Riese: Ein sterbender Stern, der angeschwollen und sehr hell ist.

Schauen wir uns nun die andere Hälfte der Gleichung an, nämlich was bestimmt die Bewohnbarkeit eines Planeten? Da in diesen Science-Fiction-Geschichten unweigerlich Menschen an der Oberfläche herumlaufen, gibt es einige ziemlich strenge Kriterien, denen dies folgen muss.

Zunächst einmal darf die Temperatur nicht zu heiß und nicht zu kalt sein. Mit anderen Worten, der Planet muss sich in der bewohnbaren Zone befinden, die auch als „Goldlöckchen-Zone“ bekannt ist. Dies ist im Allgemeinen ein ziemlich großer Teil der himmlischen Immobilien. In unserem eigenen Sonnensystem erstreckt es sich ungefähr von der Umlaufbahn der Venus bis zur Umlaufbahn des Mars. Aber was Mars und Venus unwirtlich und die Erde relativ gemütlich macht, ist unsere Atmosphäre. Im Gegensatz zum Mars ist es dick genug, um einen Großteil der Wärme, die wir von der Sonne erhalten, zu speichern, aber nicht zu viel davon wie die Venus.

Die Atmosphäre ist auch in anderer Hinsicht entscheidend. Offensichtlich ist es das, was die unerschrockenen Entdecker atmen werden. Wenn zu viel CO vorhanden ist2Es wird nicht nur zu viel Wärme einfangen, sondern auch das Atmen erschweren. Auch CO2 blockiert nicht das UV-Licht der Sonne und die Krebsrate würde steigen. Wir brauchen also eine sauerstoffreiche Atmosphäre, aber nicht zu sauerstoffreich, sonst gibt es nicht genug Treibhausgase, um den Planeten warm zu halten.

Das Problem hierbei ist, dass sauerstoffreiche Atmosphären ohne Hilfe nicht existieren. Sauerstoff ist eigentlich sehr reaktiv. Es mag es, Bindungen zu bilden, was es nicht möglich macht, in der Atmosphäre frei zu sein, wie wir es wollen. Es bildet Dinge wie H.2O, CO2, Oxide usw. Deshalb haben Mars und Venus praktisch keinen freien Sauerstoff in ihrer Atmosphäre. Das Wenige, was sie tun, kommt von UV-Licht, das auf die Atmosphäre trifft und bewirkt, dass sich die gebundenen Formen lösen und vorübergehend den Sauerstoff freisetzen.

Die Erde hat nur so viel freien Sauerstoff wie aufgrund der Photosynthese. Dies gibt uns ein weiteres Kriterium, das wir zur Bestimmung der Bewohnbarkeit benötigen: die Fähigkeit zur Photosynthese.

Fangen wir also an, alles zusammenzustellen.

Erstens bedeutet die Entwicklung des Sterns beim Verlassen der Hauptsequenz, der anschwillt, wenn er zu einem roten Riesen wird und heller und heißer wird, dass die „Goldlöckchen-Zone“ nach außen fegt. Planeten, die früher wie die Erde bewohnbar waren, werden geröstet, wenn sie beim Wachsen nicht vollständig von der Sonne verschluckt werden. Stattdessen wird die bewohnbare Zone weiter entfernt sein, mehr dort, wo Jupiter jetzt ist.

Selbst wenn sich ein Planet in dieser neuen bewohnbaren Zone befindet, bedeutet dies nicht, dass er unter der Bedingung bewohnbar ist, dass er auch eine sauerstoffreiche Atmosphäre hat. Dazu müssen wir die Atmosphäre durch Photosynthese von einer sauerstoffarmen in eine sauerstoffreiche umwandeln.

Die Frage ist also, wie schnell dies geschehen kann. Zu langsam und die bewohnbare Zone ist möglicherweise bereits vorbeigefegt, oder dem Stern ist möglicherweise der Wasserstoff in der Hülle ausgegangen und er hat sich wieder zusammengezogen, um die Heliumfusion im Kern zu entzünden und den Planeten erneut einzufrieren.

Das einzige Beispiel, das wir bisher haben, ist auf unserem eigenen Planeten. In den ersten drei Milliarden Lebensjahren gab es wenig freien Sauerstoff, bis photosynthetische Organismen entstanden und ihn auf Werte nahe dem heutigen Wert umwandelten. Dieser Prozess dauerte jedoch mehrere hundert Millionen Jahre. Während dies mit gentechnisch veränderten Bakterien, die auf dem Planeten ausgesät werden, wahrscheinlich um eine Größenordnung auf mehrere zehn Millionen Jahre erhöht werden könnte, müssen wir noch sicherstellen, dass die Zeitskalen funktionieren.

Es stellt sich heraus, dass die Zeitskalen für verschiedene Massen von Sternen unterschiedlich sind. Massivere Sterne verbrennen ihren Treibstoff schneller und sind somit kürzer. Für Sterne wie die Sonne kann die rote Riesenphase etwa 1,5 Milliarden Jahre dauern, also ~ 100x länger als nötig, um eine sauerstoffreiche Atmosphäre zu entwickeln. Für Sterne, die doppelt so massereich sind wie die Sonne, sinkt diese Zeitskala auf nur 40 Millionen Jahre und nähert sich der Untergrenze dessen, was wir brauchen werden. Massivere Sterne entwickeln sich noch schneller. Damit dies plausibel ist, benötigen wir Sterne mit geringerer Masse, die sich langsamer entwickeln. Eine grobe Obergrenze wäre hier ein Stern mit zwei Sonnenmassen.

Es gibt jedoch noch einen weiteren Effekt, über den wir uns Sorgen machen müssen: Können wir genug CO haben?2 in der Atmosphäre sogar Photosynthese zu haben? Kohlendioxid ist zwar nicht annähernd so reaktiv wie Sauerstoff, kann jedoch auch aus der Atmosphäre entfernt werden. Dies ist auf Effekte wie Silikatverwitterung wie CO zurückzuführen2 + CaSiO3 -> CaCO3 + SiO2. Während diese Effekte langsam sind, bauen sie sich mit geologischen Zeitskalen auf. Dies bedeutet, dass wir keine alten Planeten haben können, da sie alle ihre freien CO gehabt hätten2 in der Oberfläche weggesperrt. Dieses Gleichgewicht wurde in einem 2009 veröffentlichten Artikel untersucht und festgestellt, dass für einen Erdmassenplaneten das freie CO2 wäre erschöpft, lange bevor der Elternstern überhaupt die rote Riesenphase erreicht hat!

Wir müssen also Sterne mit geringer Masse haben, die sich langsam entwickeln, um genügend Zeit zu haben, um die richtige Atmosphäre zu entwickeln. Wenn sie sich jedoch so langsam entwickeln, gibt es nicht genug CO2 links, um die Atmosphäre trotzdem zu bekommen! Wir stecken in einem echten Fang 22 fest. Der einzige Weg, dies wieder möglich zu machen, besteht darin, einen Weg zu finden, um ausreichende Mengen an neuem CO einzuführen2 in die Atmosphäre, gerade als die bewohnbare Zone vorbeizieht.

Glücklicherweise gibt es einige ziemlich große CO-Repositories2 einfach herumfliegen! Kometen bestehen hauptsächlich aus gefrorenem Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Ein paar von ihnen in einen Planeten zu stürzen, würde ausreichend CO einbringen2 um möglicherweise die Photosynthese zu starten (sobald sich der Staub gelegt hat). Tun Sie dies einige hunderttausend Jahre, bevor der Planet die bewohnbare Zone betreten würde, warten Sie zehn Millionen Jahre, und dann könnte der Planet möglicherweise noch weitere Milliarden Jahre bewohnbar sein.

Letztendlich wäre dieses Szenario plausibel, aber nicht gerade eine gute persönliche Investition, da Sie tot wären, lange bevor Sie die Vorteile nutzen könnten. Eine langfristige Strategie für das Überleben einer weltraumtauglichen Art, aber keine schnelle Lösung, um Kolonien und Außenposten zu stürzen.

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