Ausländisches Leben könnte auf Planeten um sterbende Sterne nachweisbar sein

Ein Weißer Zwerg ist ein toter Stern, der langsam abkühlt, bis er in Vergessenheit gerät. Es wurde jedoch vorhergesagt, dass bewohnbare Planeten einen Weißen Zwerg umkreisen können. Wenn wir diese Planeten irgendwie entdecken können, könnten wir dann auch Lebenszeichen erkennen?

Wissenschaftler haben ein künstliches Spektrum erstellt, das zeigt, dass das kommende James Webb Space Telescope (JWST) in der Lage sein wird, Sauerstoff und Wasser auf einem erdähnlichen Planeten zu entdecken, der einen Weißen Zwerg umkreist.

Ein Weißer Zwerg ist das Endstadium der Evolution eines Sterns mit geringer Masse, und er ist winzig im Vergleich zu seinem früheren Selbst. Die bewohnbare Zone um einen Weißen Zwerg hätte sich daher einmal tief in der Region des Weltraums befunden, in der der Stern einst wohnte. Dies erforderte, dass Planeten nach innen wandern, um Temperaturen zu erfahren, die genau für flüssiges Oberflächenwasser geeignet sind. Infrarotbeobachtungen haben auch Staubsplitter entdeckt, die einige Weiße Zwerge umgeben, die der Geburtsort einer neuen Generation von Planeten sein könnten.

Auf der Suche nach Lebenszeichen auf einem weißen Zwerg-Exoplaneten wird der spektrale Fingerabdruck der Atmosphäre des Planeten untersucht. Exoplanet-Atmosphären können während eines Planetentransits entdeckt und analysiert werden, wenn ein Planet aus unserer Sicht vor einem Stern vorbeifliegt, während das Hintergrundsternlicht durch die Atmosphäre des Planeten scheint. Elemente in der Atmosphäre werden etwas von dem Sternenlicht absorbieren, was bedeutet, dass mehr Licht als normal bei den bestimmten Wellenlängen blockiert wird, die mit diesem Element verbunden sind, was uns ein Spektrum des Planeten gibt. [Foto-Tour: Aufbau des NASA-Weltraumteleskops James Webb]

Diese Technik, die Übertragungsspektroskopie genannt wird, ist schwierig zu verwenden, weil der Hauptstern unglaublich hell ist und somit den größten Teil des Planetensignals ausspült. Wenn der Wirtsstern jedoch ein weißer Zwerg anstelle eines Hauptreihensterns ist, wird der kleine Sternradius zu einem sehr markanten Transitsignal führen. Der Durchmesser des durchschnittlichen weißen Zwergs beträgt rund 17.000 Kilometer, was nicht viel größer ist als der Erddurchmesser von 12.800 Kilometern. Obwohl weiße Zwerge schwach und schwer zu entdecken sind, sollte es dennoch möglich sein, das Signal eines erdähnlichen Planeten zu sehen, der einen durchquert.

Ein Lebenszeichen

Bestimmte Elemente in der Atmosphäre eines Planeten können auf das Vorhandensein von Leben hinweisen. Solche "Biomarker" umfassen Sauerstoff und Methan, Gase, die von verschiedenen Lebensformen auf der Erde produziert werden und schnell abgebaut würden, wenn sie nicht ständig erzeugt würden.

Einige der Biomarker der Erde sind im infraroten Bereich des Spektrums prominent und machen JWST ideal für die Suche nach Lebenszeichen auf anderen Planeten. Die JWST, die in einigen Jahren starten wird, wird in den infraroten Teil des Lichtspektrums schauen, und es wird in der Lage sein Atmosphären auf Planeten zu beobachten, die nur wenige Male die Masse der Erde in den bewohnbaren Zonen von sind Sterne vom M-Typ (rote Sterne, die kühler sind als unsere Sonne). Die dafür benötigte Gesamtbeobachtungszeit übersteigt jedoch das, was zur Beobachtung von Planeten um weiße Zwerge notwendig ist, da das Planetensignal für die helleren M-Zwerge viel schwächer ist.

Avi Loeb von der Harvard University und Dan Maoz von der Tel-Aviv Universität in Israel entschieden sich zu testen, welche Art von Informationen sie aus der Atmosphäre eines Planeten, der einen Weißen Zwerg umkreist, machen könnten, indem sie ein simuliertes JWST-Spektrum erzeugen. Ihr synthetisches Spektrum zeigte, dass die Sauerstoff (O 2) "A-Bande" leicht sichtbar sein sollte, ebenso wie Signaturen von Wasser (H 2 O), vorausgesetzt, dass sie auf dem Planeten existieren.

"Wenn man einen dieser Biomarker in der Atmosphäre eines erdähnlichen Planeten mit JWST um einen nahegelegenen Stern herum entdeckt, wird das extrem schwierig, wenn nicht gar unmöglich", sagte Maoz dem Astrobiology Magazine. "Die Schwierigkeit liegt in der extremen Schwäche des Signals, das im grellen Licht des" Elternsterns "verborgen ist. Die Neuheit unserer Idee ist, dass, wenn der Elternstern ein Weißer Zwerg ist, dieser Blendlicht stark reduziert wird, und eins Jetzt können wir uns realistisch vorstellen, den O2-Biomarker zu sehen. Um andere Biomarker zu erkennen, werden zukünftige Weltraumteleskope benötigt, die noch ehrgeiziger sind als JWST. "

Eine starke Signatur von Sauerstoff in einem planetaren Spektrum könnte darauf hinweisen, dass Leben vorhanden ist, da Sauerstoff in großen Mengen produziert werden muss, um der Reaktion mit anderen Substanzen entgegenzuwirken. Biologische Prozesse sind die Hauptursache für hohe Sauerstoffmengen: Die 21 Prozent Sauerstoff in der Erdatmosphäre entstehen durch Photosynthese in Pflanzen und Algen. Wenn das Leben auf der Erde plötzlich ausgelöscht werden würde, würde der gesamte Sauerstoff in ein oder zwei Millionen Jahren entfernt werden, da er sich mit Gesteinen verbindet und sich im Ozean auflöst. [9 Exoplaneten, die außerirdisches Leben hosten könnten]

Die Suche nach flüchtigen Planeten

Bisher wurden noch keine Planeten entdeckt, die einen weißen Zwerg umkreisen, da es schwierig ist, diese schwachen Sterne zu beobachten. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass solche Planeten existieren könnten. Weiße Zwerge sollten typischerweise ein reines Spektrum von entweder Wasserstoff oder Helium haben, da alle schwereren Elemente tief in dem Stern versinken werden. Viele Weiße Zwerge zeigen jedoch Anzeichen von Verschmutzung durch schwere Elemente, möglicherweise aufgrund von felsigem Material in zirkumstellaren Scheiben, die von unsichtbaren Planeten nach innen gestoßen werden.

Es wurde beobachtet, dass einige verfinsternde Binärdateien, die einen weißen Zwerg enthalten, ungewöhnliche Schwankungen im Timing der Eklipsen haben, was darauf hindeuten könnte, dass ein Planet vorhanden ist. Planeten wurden auch in der Umgebung von Pulsaren entdeckt, was zeigt, dass Planeten kompakte Sternreste umkreisen können.

Um erdähnliche Planeten um weiße Zwerge zu entdecken, muss zuerst eine Vermessung durchgeführt werden, um die hellsten, nächsten weißen Zwerge auszuwählen, die für JWST-Beobachtungen geeignet sind. Viele Weiße Zwerge müssen überwacht werden, um die beste Chance zu haben, einen Planeten zu entdecken.Wenn zum Beispiel ein Drittel aller Weißen Zwerge einen Planeten der Erdmasse in ihren bewohnbaren Zonen beherbergen, müssten 500 Weiße Zwerge überwacht werden, um nur eine Transit-Erde zu entdecken.

"Wir erwarten, dass wir vielleicht ein oder zwei erdähnliche Planeten finden, die weiße Zwerge durchqueren und mit JWST beobachtbar sind, wenn solche Planeten überhaupt um weiße Zwerge existieren", sagte Maoz.

Eine Umfrage, die nach einem O2-Biomarker sucht, würde wahrscheinlich davon profitieren, sich auf weiße Zwerge zu konzentrieren, die über drei Milliarden Jahre alt sind. Es dauerte rund zwei Milliarden Jahre, bis das Leben auf der Erde begann, erhebliche Mengen an O2 zu produzieren, so dass die Vernachlässigung junger Weißer Zwerge den Fokus mehr auf Planeten richten würde, auf denen das Leben Zeit hatte, sich zu entwickeln. Während dies offensichtlich voreingenommen ist, halten Wissenschaftler es für sinnvoller, begrenzte Beobachtungszeit auf die wahrscheinlichsten Kandidaten zu legen.

Obwohl erdähnliche Planeten aus der Sicht der Astrobiologie die interessantesten Ziele sind, stellt sich heraus, dass sie auch die optimalen Ziele sind, wenn man versucht, Lebenszeichen auf weißen Zwergplaneten zu entdecken. Ein Planet mit einem ähnlichen Durchmesser wie die Erde hat genau die richtige Größe, damit Astronomen ein gutes Spektrum der Atmosphäre des Planeten erkennen können. Wenn ein Planet größer als der Weiße Zwerg ist, wird die Wahrscheinlichkeit, dass die Atmosphäre des Planeten den Stern durchquert, ähnlich der eines Planeten auf Erdgröße sein. Die größere Oberflächengravitation des größeren Planeten würde jedoch bedeuten, dass die Höhe der Atmosphäre wahrscheinlich viel geringer ist, was bedeutet, dass weniger Sternenlicht durch sie hindurchtritt und somit schwerer zu erkennen ist.

Der Vorteil der Verwendung von JWST zur Beobachtung von exoplanetaren Atmosphären liegt in der Tatsache, dass es, da es sich um ein weltraumbasiertes Teleskop handelt, von der Erdatmosphäre befreit wird. Wenn eine Exoplanetenatmosphäre der Erdatmosphäre sehr ähnlich ist, wird ein bodengestütztes Teleskop große Schwierigkeiten haben, es aus dem Erdatmosphärenspektrum zu lösen. (Wenn jedoch die Atmosphäre des Exoplaneten sehr unterschiedlich ist, könnte sie unter dem eigenen Signal der Erde entdeckt werden, und große erdgebundene Teleskope könnten dann helfen, Messungen bereitzustellen.) Wenn wir in die Ära der Suche nach Biomarkern auf extrasolaren Planeten gehen, Erdähnliche Planeten um weiße Zwerge können die ersten fremden Welten sein, in denen wir solche Lebenszeichen entdecken können.

Ein Vorabdruck des Papiers ist hier verfügbar: //arxiv.org/abs/1301.4994. Das Papier wurde zur Veröffentlichung in der Zeitschrift MNRAS angenommen.