Sauerstoff auf Exoplaneten bedeutet nicht immer die Anwesenheit von Leben
Auf der Suche nach Leben auf anderen Planeten ist das Vorhandensein von Sauerstoff in der Atmosphäre des Planeten eines der möglichen Anzeichen für biologische Aktivität, die von zukünftigen Teleskopen erkannt werden könnten. Die neue Studie beschreibt jedoch mehrere Szenarien, in denen sich ein lebloser felsiger Planet um einen sonnenähnlichen Stern entwickeln könnte, um Sauerstoff in seiner Atmosphäre zu haben.
Die neuen Ergebnisse, die in AGU Advances veröffentlicht wurden, unterstreichen die Notwendigkeit von Teleskopen der nächsten Generation, die in der Lage sind, die Planetenumgebung zu charakterisieren und neben dem Nachweis von Sauerstoff nach mehreren Beweislinien für das Leben zu suchen.
"Dies ist nützlich, weil es zeigt, dass es Möglichkeiten gibt, Sauerstoff in eine Atmosphäre ohne Leben zu bringen, aber es gibt andere Beobachtungen, die Sie machen können, um diese falsch positiven Ergebnisse vom wirklichen Leben zu unterscheiden", sagte der Studienautor Joshua Chrissansen. "Für jedes Szenario versuchen wir Ihnen zu sagen, was Ihr Teleskop tun müsste, um normalen Sauerstoff von biologischem Sauerstoff zu unterscheiden."
In den kommenden Jahrzehnten, vielleicht bis Ende der 2030er Jahre, hoffen die Astronomen auf ein Teleskop, mit dem direkte Bilder und Spektren potenziell erdähnlicher Planeten um sonnenähnliche Sterne aufgenommen werden können.
Der Co-Autor Jonathan Fortney, Professor für Astronomie und Astrophysik und Direktor des Other Worlds Laboratory an der UCLA, sagte, die Idee sei, Planeten anzugreifen, die der Erde ähnlich genug sind, damit Leben entstehen und ihre Atmosphäre charakterisieren können.
"Es wurde viel darüber diskutiert, ob das Finden von Sauerstoff ein 'ausreichendes' Lebenszeichen ist", sagte er. „Diese Arbeit beweist wirklich die Notwendigkeit, den Kontext Ihrer Entdeckung zu kennen. Welche anderen Moleküle wurden neben Sauerstoff gefunden oder nicht gefunden, und was sagt Ihnen das über die Entwicklung des Planeten? "
Dies bedeutet, dass Astronomen ein Teleskop benötigen, das für einen weiten Wellenlängenbereich empfindlich ist, um verschiedene Arten von Molekülen in der Atmosphäre des Planeten zu erfassen.
Die Forscher stützten ihre Ergebnisse auf ein detailliertes End-to-End-Rechenmodell der Entwicklung felsiger Planeten, beginnend mit ihrer geschmolzenen Herkunft und durch Milliarden von Jahren der Abkühlung und geochemischen Zyklen. Durch Variation der anfänglichen Zufuhr flüchtiger Stoffe auf ihren Modellplaneten erzielten die Forscher eine überraschend breite Palette von Ergebnissen.
Sauerstoff kann sich in der Atmosphäre des Planeten ansammeln, wenn hochenergetisches ultraviolettes Licht Wassermoleküle in der oberen Atmosphäre in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Leichter Wasserstoff entweicht vorzugsweise in den Weltraum und hinterlässt Sauerstoff.
Andere Prozesse können Sauerstoff aus der Atmosphäre entfernen. Beispielsweise reagieren Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die beim Entgasen aus geschmolzenem Gestein freigesetzt werden, mit Sauerstoff, und die Verwitterung des Gesteins absorbiert auch Sauerstoff. Dies sind nur einige der Prozesse, die die Forscher in ihr Modell der geochemischen Entwicklung des felsigen Planeten aufgenommen haben.
"Wenn Sie ein Modell für die Erde mit der unserer Meinung nach anfänglichen Zufuhr flüchtiger Stoffe betreiben, erhalten Sie jedes Mal zuverlässig das gleiche Ergebnis - ohne Leben erhalten Sie keinen Sauerstoff in der Atmosphäre", sagte Joshua Chrissansen. "Wir haben aber auch verschiedene Szenarien gefunden, in denen man ohne Leben Sauerstoff bekommen kann."
Zum Beispiel wird ein Planet, der ansonsten der Erde ähnlich ist, aber mit mehr Wasser beginnt, sehr tiefe Ozeane haben, die einen enormen Druck auf die Kruste ausüben. Dies stoppt effektiv die geologische Aktivität, einschließlich aller Prozesse wie Schmelzen oder Verwitterung von Gesteinen, die Sauerstoff aus der Atmosphäre entfernen.
Im umgekehrten Fall, wenn der Planet mit relativ wenig Wasser beginnt, kann sich die Magmaoberfläche des ursprünglich geschmolzenen Planeten schnell verfestigen, solange das Wasser in der Atmosphäre verbleibt. Diese „dampfförmige Atmosphäre“ bringt genug Wasser in die obere Atmosphäre, damit sich Sauerstoff ansammeln kann, wenn das Wasser zusammenbricht und Wasserstoff freigesetzt wird.
"Die typische Sequenz ist, dass sich die Oberfläche des Magmas gleichzeitig mit der Kondensation von Wasser in den Ozeanen auf der Oberfläche verfestigt", sagte Joshua Chrissansen. „Auf der Erde war die Leckrate gering, als Wasser an der Oberfläche kondensierte. Wenn Sie jedoch nach dem Erstarren der geschmolzenen Oberfläche eine dampfförmige Atmosphäre aufrechterhalten, gibt es ein Fenster von etwa einer Million Jahren, in dem sich Sauerstoff ansammeln kann, da die obere Atmosphäre eine hohe Wasserkonzentration aufweist und es keine geschmolzene Oberfläche gibt, auf der der erzeugte Sauerstoff verbraucht werden kann die Freisetzung von Wasserstoff. "
Das dritte Szenario, das zu Sauerstoff in der Atmosphäre führen könnte, betrifft einen Planeten, der ansonsten der Erde ähnlich ist, jedoch mit einem höheren Verhältnis von Kohlendioxid zu Wasser beginnt.