Habitable Zone: Der Gürtel, in dem 40 Milliarden Erden versteckt sein könnten

Die Daten des Kepler-Weltraumteleskops, die am 4. November 2013 angekündigt wurden, deuteten auf etwa 40 Milliarden erdgroße Welten hin, die in den Zonen umkreisen könnten, in denen flüssiges Wasser um sonnenähnliche Sterne und rote Zwerge in der Milchstraße überleben könnte. Diese einzige Zahl veränderte den Gesprächsstoff von Astronomen — nicht als eine Streuung von Sternen, sondern als ein Feld dicht besiedelt mit Orten, an denen flüssiges Wasser plausibel auf einer felsigen Oberfläche sammeln könnte.

Die habitable Zone selbst ist eine trügerisch einfache Idee: der Abstandsbereich von einem Stern, in dem ein Planet warm genug sein könnte, um flüssiges Wasser zu halten, aber nicht so heiß, dass es verdampft. Es klingt wie grundlegende Geometrie, aber die eigentliche Wissenschaft ist unordentlicher — die Atmosphäre eines Planeten, seine Umlaufbahn und das Verhalten des eigenen Sterns verschieben die Grenzen. Dieser Leitfaden führt dich durch die Ursprünge der Idee, was sie tatsächlich vorhersagt und wo sie zusammenbricht.

Der Begriff „habitable Zone" erschien möglicherweise erstmals 1913 in dem Buch Are The Planets Inhabited? des Astronomen Edward Maunder — Jahrzehnte bevor jemand einen einzigen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems bestätigt hatte. Maunder argumentierte von ersten Prinzipien aus: Die Temperatur eines Planeten hängt von seinem Abstand zu seinem Stern ab, daher sollte es einen Streifen geben, in dem diese Temperatur flüssiges Wasser ermöglicht.

Die moderne Version des Konzepts, die Astronomen heute tatsächlich verwenden, wurde 1959 vom Astrophysiker Su-Shu Huang vorgeschlagen, der sie um die Klimazwänge aufbaute, die ein Mutterstern auf jeden ihn umkreisenden Planeten ausübt. Huangs Rahmen ist der Grund, warum der Satz „habitable Zone" jetzt in fast jeder Ankündigung von Exoplanetenfunden auftaucht — er gibt Reportern und Forschern gleichermaßen eine schnelle Kurzfassung für „dieser Planet ist in etwa der richtigen Entfernung".

Kepler-452b ist eines der klarsten Beispiele der Idee in Aktion. Es umkreist seinen Stern in einem Abstand von 1,04 AU (156 Millionen km) — fast genau die Entfernung der Erde von der Sonne — und vollendet eine Umlaufbahn alle 385 Tage mit einem Radius etwa 1,63 Mal größer als die Erde und einer Masse mindestens dreimal so groß wie die Erde. Was es bemerkenswerter macht, ist die Zeit: Kepler-452b hat den Großteil seiner Existenz in der habitablen Zone seines Sterns verbracht, etwas über sechs Milliarden Jahre und zählend, länger als die Erde überhaupt existiert hat.

Nicht jeder bewohnbare-Zone-Planet umkreist einen Stern wie die Sonne. TRAPPISTs effektive Temperatur beträgt nur 2.566 K (2.293°C); das macht es, ab 2022, zum kältesten bekannten Stern mit Planeten — eine Erinnerung daran, dass die Zone nach innen, nicht nach außen, um dunkle, kühle Sterne herum verschoben wird. Die Suche ist auch nicht auf kleine, ruhige Systeme beschränkt: 55 Cancri f wurde gefunden, der in der habitablen Zone seines Sterns 55 Cancri A umkreist, Teil eines Systems, das das einzige neben unserem bekannt wurde, um fünf Planeten zu beherbergen. Das 55-Cancri-System sitzt 41 Lichtjahre entfernt und wiederholt die Form unseres eigenen Sonnensystems — vier Planeten dicht beieinander und eine Riesenwelt weiter draußen — hat aber kein Gegenstück zur Erde oder zum Mars. Dieser fünfte Planet, 55 Cancri f, ist etwa halb so groß wie der Saturn, mindestens 45 Mal so massereich wie die Erde und vollendet eine Umlaufbahn bei 0,785 AU alle 260,8 Tage — ein Gasriese, wo eine felsige Welt hätte erwartet werden können.

In der habitablen Zone zu sein, sagt nichts über das Material eines Planeten aus, und genau hier werden Dichtedaten notwendig. In der bekannten Exoplanetenenpopulation erreicht die Dichte ihren Höchstwert bei 7,6 Gramm pro Kubikzentimeter für Planeten etwa 1,4 Erdradien — dichter, in dieser Größe, als fast alles andere in der Volkszählung. Jenseits von etwa 1,5 Erdradien fällt die Planetendichte jedoch schnell ab, ein Zeichen dafür, dass diese Welten eine dicke Schicht von Volatilien über einem felsigen Kern tragen, anstatt ganz aus Felsen zu bestehen. Ein bewohnbar-Zone-Planet, der auf dem Papier erdgroß aussieht, könnte in der Praxis eine kleine Gaswelt ohne feste Oberfläche sein.

Die Schätzung, wie häufig diese Planeten sind, war ein bewegliches Ziel. Eine Studie von 2013 von Dressing und Charbonneau verwendete Kepler-Daten, um zu berechnen, dass kühle Sterne etwa 0,15 erdgroße bewohnbar-Zone-Planeten pro Stern tragen. Eine spätere Reanalyse erhöhte diese Schätzung auf 0,48 bis 0,53 bewohnbar-Zone-Planeten pro rotem Zwerg, abhängig davon, wie konservativ die Ränder der Zone gezogen werden — mehr als dreimal die ursprüngliche Zahl, nur durch die Anpassung der Annahmen über den Anfang und Ende der Zone. Diese Schwankung ist eine nützliche Lektion: die habitable Zone ist keine feste, universell vereinbarte Linie, sondern eine Arbeitschätzung, die sich ändert, wenn die Modelle verbessert werden.

Selbst ein Planet, der sich in der geometrischen Mitte der habitablen Zone seines Sterns befindet, hängt davon ab, dass sich dieser Stern vorhersehbar verhält. Die Sonne selbst bleibt bemerkenswert stabil, mit der Gesamthelligkeit, die um nur 0,1% über ihren ungefähr 11-jährigen Zyklus der Sonnenaktivität schwankt — ein viel sanfterer Wackler als in Sternen, die viel gewaltsamer pulsieren und aufblitzen, und ein großer Teil des Grundes, warum Erdes Klima über geologische Zeit hinweg bewohnbar geblieben ist. Stabilität ist nicht garantiert, und ihre Abwesenheit hinterlässt eine Spur: Eine 70-jährige Flaute in Sonnenflecken, das Maunder-Minimum genannt, über den späten 17. und frühen 18. Jahrhundert erstreckt sich, wurde mit der kältesten Strecke der Kleinen Eiszeit verknüpft, als Europa und Nordamerika grausam kalte Winter ertrugen. Die winzigen Schwankungen eines Sterns in seiner Leistung können das Klima eines ganzen Planeten über Generationen beeinflussen.

Die habitable Zone wird normalerweise als sauberer Ring gezeichnet, aber wenige Planeten reisen tatsächlich auf einer kreisförmigen Bahn. Gemessene Bahnexzentrizitäten von Exoplaneten haben Forscher überrascht: 90% sind exzentrischer als alles im Sonnensystem, und die durchschnittliche Exzentrizität ist 0,25. Ein Planet auf einer gestreckten, elliptischen Umlaufbahn kann vom äußeren Rand der habitablen Zone zum inneren Rand und zurück über den Kurs eines einzigen Jahres schwingen, wodurch eine stabilisierend aussehende „Zone" in eine viel härtere, variablere Fahrt verwandelt wird.

• ScienceDaily: Astronomers Discover Record Fifth Planet Around Nearby Star 55 Cancri
• arXiv: The Mass-Radius Relation for 65 Exoplanets Smaller than 4 Earth Radii
• arXiv: A revised estimate of the occurrence rate of terrestrial planets in the habitable zones around Kepler M-dwarfs
• NASA Science: Solar Variability and Terrestrial Climate
• Wikipedia: Habitable zone
• Wikipedia: Kepler-452b
• Wikipedia: TRAPPIST-1
• Wikipedia: Planetary habitability