Ein Roter Zwerg brutzelt einen nahen Planeten (künstlerische Darstellung). Bild: NASA Goddard, Flickr, NASA Standardlizenz.

Unsere Sonne ist ein Stern vom Spektraltyp G2V. Nur knapp 8% aller Sterne haben den Spektraltyp G, der Oberflächentemperaturen von 5200 bis 6000 K und Massen von 0,8 bis  1,04 Sonnenmassen aufweist. Die Lebensdauer auf der Hauptreihe (Wasserstoffbrennen, stabile Strahlung) liegt bei 10 bis 20 Milliarden Jahren. Sterne der nächstheißeren Klasse F sind nur halb so häufig und leben im Schnitt weniger als 5 Milliarden Jahre; damit sind sie als Muttersterne für belebte Exoplaneten weniger geeignete Kandidaten. Das gilt erst recht für Sterne noch heißerer Spektralklassen (O, B und A).

 

Die Roten Funzeln

Wesentlich häufiger als G-Sterne sind die Roten Zwerge der Klasse M. 3/4 aller Sterne sind von diesem Typ, der Massen von 8%-50% der Sonnenmasse und Oberflächentemperaturen von 2400 bis 3700 K aufweist – etwa die Temperatur des Glühfadens einer Vintage-Glühlampe. So ungefähr müssen wir uns auch die Farbe ihres Lichts vorstellen. Rote Zwerge sind außerdem kleiner als die Sonne – sie haben Durchmesser zwischen 70% des Sonnendurchmessers und dem Durchmesser des Planeten Jupiter.

Die Leuchtkraft eines Sterns skaliert mit seiner Oberfläche (also dem Quadrat seines Durchmessers) und der vierten Potenz seiner Temperatur (Stefan-Boltzmann-Gesetz) – aus diesem Grund sind Rote Zwerge ziemliche Funzeln. Unser nächster Nachbarstern, Proxima Centauri, ist ein Roter Zwerg, der nur 4,2 Lichtjahre von uns entfernt ist – und dennoch so lichtschwach, dass er einen Faktor 100 unterhalb der Sichtbarkeitsschwelle fürs bloße Auge liegt. Er hat weniger als 1/70.000 der Helligkeit unserer Sonne.

Das Planetensystem von TRAPPIST-1 (künstlerische Darstellung). Die habitable Zone ist hier durch Wassertropfen symbolisiert, die innere heiße Zone durch Dampf und die äußere kalte durch Eis. Bild: NASA/JPL-Caltech, gemeinfrei.

Trotzdem werden Rote Zwerge häufig als hoffnungsvolle Kandidaten für planetarische Begleiter gehandelt, auf den Leben existieren könnte. TRAPPIST-1 mit seinen 7 Planeten, von denen mindestens 2, wenn nicht 4 in der habitablen Zone liegen und die zwischen 0,76 und 1,13 Erddurchmessern haben, ist ein bekanntes Beispiel. Auch Proxima hat einen Planeten in der habitablen Zone. Was den Roten Zwergen an Leuchtkraft fehlt, das machen sie wett, indem sie steinalt werden – wobei dieser Begriff bestenfalls metaphorisch zu verstehen ist. Die ältesten Steine auf der Erde sind gute 4 Milliarden Jahre alt – die Lebenserwartung mancher Roter Zwerge wird in Billionen Jahren gemessen. Das liegt einerseits daran, dass sie ihren Brennstoff auf sehr kleiner Flamme verbrennen (weil der Druck im Kern geringer als bei der Sonne ist) und andererseits daran, dass sie voll konvektiv sind – das heiße Gas aus dem Kern steigt bis zur Oberfläche auf und das Gas an der Oberfläche wird bis in den Kern hinunter gezogen, so dass sie ihren gesamten Wasserstoffvorrat zur Fusion im Kern nutzen können. Die Sonne ist hingegen nur in der obersten Schicht konvektiv, und da entsteht auch ihre Aktivität.

Rote Zwerge (links) sind voll konvektive Sterne. In Ihnen reicht die Konvektionszone bis ins Zentrum, so dass ihr gesamter Wasserstoff bis in die Fusionszone gelangt. Sterne wie die Sonne (Mitte) sind nur in der oberen Schicht konvektiv und im Kern wird die Wärme durch Strahlung (radiativ) und ohne Materiefluss nach außen transportiert. Bei großen Sternen ist wiederum der Kern konvektiv und die Hülle radiativ. Bild: Begoon, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

 

Planetarische Scheuklappen

Dass der Fokus für die Suche nach Leben auf Exoplaneten derzeit bei den Roten Zwergen liegt, liegt einerseits an deren Häufigkeit und andererseits an einem Auswahleffekt. Bei einem Stern wie der Sonne liegt die habitable Zone, also derjenige Bereich um den Stern, in dem auf einem hinreichend großen Planeten Wasser in flüssiger Form an der Oberfläche bestehen könnte, so weit außen, dass dieser Planet annähernd ein Jahr für einen Umlauf braucht. Bei den leuchtschwachen Roten Zwergen liegt die habitable Zone hingegen so nahe am Stern, dass der Planet nur ein paar Tage für einen Umlauf benötigt.

Die meisten Planeten hat das Weltraumteleskop Kepler entdeckt, das zunächst im Sternbild Schwan ein Sternfeld für ungefähr 3 Jahre beobachtet hat, bevor es mit nur dreimonatigen Beobachtungsperioden ein gutes Dutzend Felder in der Ekliptik beobachtete. Sein Nachfolger TESS  scannt den gesamten Himmel in Streifen mit sogar nur 27 Tagen ununterbrochener Beobachtungszeit ab – nur an den Ekliptikpolen überlappen sich die Streifen zu längeren Beobachtungsdauern. Um einen Planeten sicher zu erkennen, muss er dreimal vor seinem Stern vorbeigezogen sein, das sind zwei komplette Umlaufperioden, und das dauert bei habitablen Planeten um sonnenähnliche Sterne 2-3 Jahre. Und wenn der Planet so weit wie die Erde von der Sonne entfernt ist, reicht eine kleine Verkippung seiner Bahn gegen die Sichtlinie, und er zieht unbemerkt oberhalb oder unterhalb des Sterns durch. Bei Roten Zwergen ist die Umlaufbahn der habitablen Planeten viel enger und damit die Chance größer, dass er tatsächlich vor seinem Stern durchzieht. Wir finden deshalb überdurchschnittlich viele habitable Planeten um Rote Zwerge. Das ist eine schlechte Nachricht.

 

Will man da wohnen?

Wenn Rote Zwerge so tolle Kandidaten für Leben wären, dann kann man sich fragen, warum die Sonne keiner ist, sondern ein vergleichsweise seltenerer Sterntyp (auf jeden G-Stern kommen 10 Rote Zwerge). Eine Erklärung könnte sein, das Planeten in der habitablen Zone von Roten Zwergen  gebunden rotieren müssen – sie zeigen ihrem Stern stets die gleiche Seite, wie der Mond es bei der Erde tut, weil die Gezeitenkräfte in der Nähe des Sterns so groß sind, dass sie die Drehung des Planeten in wenigen Millionen Jahren in die gebundene  Rotation abgebremst haben. Die eine Seite des Planeten hätte dann ewigen Tag, die andere ewig Nacht. Vom Erdmond, der immerhin wechselnde 14tägige Tag- und Nachtperioden hat, wissen wir schon, dass die Temperatur auf der Sonnenseite auf bis zu 130°C ansteigen und auf der Nachtseite auf -180°C fallen kann. Man könnte also annehmen, dass die Atmosphäre eines solchen Planeten auf der Nachtseite gefriert und dort als Eispanzer endet, während die Meere auf der Tagesseite verkochen. Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass eine Atmosphäre die Wärme effizient zwischen den beiden Hälften austauschen kann. Der Erdmond hat diesen Luxus nicht.

Ein anderes Argument gegen die Bewohnbarkeit von Roter-Zwerg-Planeten ist die Flare-Aktivität solcher Sterne. Wie schon angedeutet rührt die Aktivität der Sonne von ihrer konvektiven Schicht her. Hier ist elektrisch leitendes Plasma in Bewegung, und dies erzeugt elektrische Ströme, die Magnetfelder hervorbringen, die wiederum auf die Ströme zurückwirken. Die Aktivität auf der Sonnenoberfläche, die Protuberanzen, Sonnenflecken und Fackeln, die Flares und koronalen Massenauswürfe sind alle Phänomene, die durch den Magnetismus hervorgerufen werden, der in der konvektiven Zone seinen Ursprung hat. Flares entstehen beispielsweise, wenn eine magnetische Zone auf der Sonne instabil wird und die im Magnetfeld gespeicherte Energie schlagartig freisetzt, was zu einem Aufleuchten der Oberfläche und zu einem Auswurf von Plasma in den Weltraum führt (koronaler Massenauswurf). Flares erzeugen große Mengen an Röntgen- und extremer UV-Strahlung, die die oberen Schichten der Erdatmosphäre ionisieren können und die koronalen Massenauswürfe erodieren die Atmosphäre zusätzlich mit ihrer Teilchenstrahlung.

Rote Zwerge sind, wie gesagt, voll konvektiv und das macht ihre Flares umso heftiger, insbesondere, wenn sie schnell rotieren, was offenbar zu zusätzlichen Turbulenzen in der Sternatmosphäre führt. Ein Projekt, das den gesamten Himmel automatisch überwacht, erwischte Proxima Centauri im März 2016 bei einem Superflare, der fürs bloße Auge sichtbar gewesen wäre, hätte jemand darauf geachtet – der also 100mal heller war, als der gesamte Stern sonst! So einen Flare will man schon auf der Sonne nicht haben, geschweige denn auf Proxima, wenn man auf dem mutmaßlich habitablen Planeten Proxima Centauri b lebt, der den Stern 20mal näher umrundet als unsere Erde die Sonne. Solche Flares wiederholen sich alle paar Jahre und erodieren auch Planeten mit starkem Magnetfeld langfristig die Atmosphäre weg. Aber nicht alle Roten Zwerge sind so aktiv, solche, die langsamer rotieren (und meist älter als eine Milliarde Jahre sind) sind magnetisch ruhiger. Die Atmosphäre auf Planeten solcher Sterne könnte später wieder durch Asteroiden und Kometen aufgefrischt werden.

Neue Arbeiten haben nun aber zwei weitere Argumente  aufgezeigt, die höheres Leben auf den Planeten Roter Zwerge unwahrscheinlich machen.

 

Kein Treibhauslicht

In ihrer Arbeit “Photosynthesis on habitable planets around low-mass stars” haben Manasvi Lingam und Abraham Loeb [1] berechnet, welche Masse (und damit Leuchtkraft) ein Stern haben muss, damit in seiner habitablen Zone genug Strahlung im Bereich  700 nm-400 nm (ungefähr dem sichtbaren Licht entsprechend) vorhanden ist, um die “Netto-Primärproduktivität” (Net Primary Productrivity, NPP) der pflanzlichen Biosphäre der Erde zu erreichen, wobei die Erde alleine aufgrund des Lichteinfalls 2,5mal produktiver wäre, wenn die Photosynthese nicht durch die verfügbaren Nährstoffe begrenzt wäre. Die Autoren errechneten, dass Sterne von weniger als 21% der Sonnenmasse den NPP der Erde nicht erreichen. Mehr noch, Sterne von weniger als 13% der Sonnenmasse würden der Biosphäre ihrer Planeten nicht ermöglichen, deren Atmosphäre mit Sauerstoff anzureichern. Der Sauerstoffabbau durch Verwitterungsprozesse und vulkanische reduzierende Gase wäre größer als der potenzielle Sauerstoffeintrag durch die Biosphäre. Die Autoren betonen allerdings, dass  gemäß einiger Studien Photosynthese auch mit Infrarotlicht möglich sein könnte, aber dies sind theoretische Erwägungen, auf der Erde gibt es solche Organismen nicht.

Das heißt per se noch nicht, dass auf so einem Planeten kein Leben entstehen könnte. Auf der Erde entstand das Leben in einer sauerstofflosen, reduzierenden Atmosphäre. Allerdings entstand bei uns höheres, mehrzelliges Leben erst, als die Atmosphäre mit Sauerstoff angereichert war. Sauerstoff ermöglicht es, effizienter Energie aus dem Verbrennen von Kohlenwasserstoffen zu gewinnen, als dies in einer Atmosphäre ohne Sauerstoff möglich wäre. Möglicherweise käme das Leben auf den Planeten von massearmen Roten Zwergen nicht über das Einzeller-Stadium hinaus. Und unter den Roten Zwergen sind die meisten so massearm. Sowohl Proxima (12,3%) als auch TRAPPIST-1 (8,2%) haben weniger Masse. Für Sterne mit Massen zwischen 13% und 21% der Sonnenmasse würde die Anreicherung der Atmosphäre mit Sauerstoff zwar möglich sein, aber viel länger als auf der Erde dauern, möglicherweise länger als das bisherige Alter des Universums. Für Rote Zwerge höherer Masse wäre eine sauerstoffbasierte Biosphäre wie auf der Erde denkbar, falls keine anderen Faktoren wie die verfügbaren Nährstoffe die Produktivität weiter begrenzen würden.

 

Exoplanetarischer Föhn

Als wenn das nicht schon hinreichend schlechte Nachrichten wären, berichtete ein Team aus US-amerikanischen und europäischen  Astronomen beim Winter-Treffen der American Astronomical Society am 8. Januar 2019 in Seattle über Beobachtungen der protoplanetaren Scheibe des Roten Zwergs AU Microscopii [2], der sich in 32 Lichtjahren Entfernung von der Erde befindet und mit 31% der Sonnenmasse zu den Schwergewichten unter den Roten Zwergen gehört. Wir blicken genau auf die Kante der Scheibe. Bisher wurden darin noch keine Planeten entdeckt, die aber durchaus in der Scheibe enthalten sein könnten bzw. aus dieser entstehen.

Was die Astronomen jedoch entdeckten waren Verdichtungen in der Scheibe, die sich von 2011 bis 2017 deutlich nach außen bewegt haben. Es deutet alles darauf hin, dass der junge Stern mit seinen Superflares das flüchtige Material in der Scheibe nach außen bläst. Man fand 6 Blasen mit Durchmessern von 5 AE (das ist etwa die Entfernung von Jupiter zur Sonne). Die Astronomen haben berechnet, dass die Scheibe bei diesem Erosionstempo binnen 1,5 Millionen Jahren von flüchtigen Stoffen befreit sein wird. Von massiveren Sternen weiß man, dass die Scheiben dort viel langlebiger sind. Beobachtungen anderer junger Roter Zwerge legen nahe, dass AU Mic kein Einzelfall ist.

Die protoplanetare Scheibe von AU Microscopii. Auf den Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops erkennt man, wie sich eine riesige Blase binnen 6 Jahren in der Scheibe nach außen bewegt hat. Der Stern selbst ist im Zentrum der Bilder verdeckt. Der Stern links in der unteren Aufnahme ist ein weit entfernter Hintergrundstern. Bild: NASA, ESA, J. Wisniewski (University of Oklahoma), C. Grady (Eureka Scientific), and G. Schneider (Steward Observatory), gemeinfrei.

Die Erde erhielt ihr Wasser wahrscheinlich nicht bei der Entstehung, als sie noch glutflüssig war, sondern erst nachdem die Oberfläche abgekühlt war aus dem Bombardement von wasserhaltigen Asteroiden und Kometen. Wenn nun aber ein Stern wie AU Mic seine protoplanetare Scheibe frühzeitig trocken föhnt, dann ist später nichts mehr da, um einen trockenen erdähnlichen Planeten mit Ozeanen auszustatten. Was bliebe, wäre ein tote, trockene Welt.

Es spricht also wenig dafür, dass höheres Leben auf Planeten von Roten Zwergen entstehen könnte. Damit dürfte die Chance dafür, dass unsere Erde als Heimat einer hoch entwickelten Biosphäre einen Gelben Zwerg statt eines Roten umkreist, keinem 1:10 Losglück zu verdanken sein, sondern einfach einer Notwendigkeit (sonst gäbe es uns gar nicht). Wir sollten intensiver nach Planeten längerer Umlaufzeit in der habitablen Zone um G- und K-Zwerge suchen, damit wir in ein paar Jahren lohnende Ziele für die neuen Großteleskope wie TMT, GMT und ELT haben, die ihre Atmosphären auf Sauerstoff und Methan untersuchen könnten, welche gemeinhin als Indikatoren für Bioaktivität gelten.

 

Referenzen

[1] Manasvi Lingam, Abraham Loeb,  “Photosynthesis on habitable planets around low-mass stars”, eingereicht bei Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Preprint 4. Januar 2019; arXiv:1901.01270.

[2] Hubblesite News Release, “Young Planets Orbiting Red Dwarfs May Lack Ingredients for Life“, American Astronomical Society Meeting, 8. Januar 2019, Seattle/WA.

Kommentare (35)

  1. #1 Hans Zekl
    Kaltenkirchen
    19. Januar 2019

    Sehr informativ und interessant.

  2. #2 rolak
    19. Januar 2019

    Immer diese demotivierenden Nachrichten…

    Hat aber auch was Gutes: die Zwischenstopp-Liste auf der großen Such- und Besuchs-Tour ist deutlich kürzer geworden. Möglicherweise interessante Einzeller können dann von kleinen automatischen Sonden getestet werden, so ab dem zweiundvierzigtausendsten Bakterienpfützchen wird es doch etwas monoton.

  3. #3 Alderamin
    19. Januar 2019

    @Hans

    Danke! 🙂

  4. #4 Anthy
    Schwetzingen
    20. Januar 2019

    Ein hervorragender Artikel. Diese Art von Journalismus bei der
    anhand von geprüften Fakten eine nüchterne Schlussfolgerung gezogen wird kommt mir in Deutschland in letzter Zeit zu kurz.

  5. #5 PDP10
    20. Januar 2019

    Ui! Der @Alderamin hats mit dem Artikel sogar auf die Startseite von https://www.wissenschaft.de/ geschafft 🙂

  6. #6 Captain E.
    21. Januar 2019

    Ich frage mich allerdings gerade, wieso man so oft davon ausgeht, dass sich ein möglicher habitabler Planet um einen Roten Zwerg nur in einer gebundenen Rotation befinden könne. Was spricht gegen eine 2:3-Resonanz, wie es sie auch beim Merkur gibt? Die ist doch auch recht stabil, falls es nicht zu viele weitere Einflüsse (z.B. andere Planeten) gibt.

    Die Wahrscheinlichkeit für intelligentes Leben bleibt damit freilich immer noch niedrig, aber vielleicht schaffen es solche Planeten, auch in ihrem Orbit um einen Roten Zwerg Mikroorganismen hervorzubringen.

  7. #7 Captain E.
    21. Januar 2019

    @bote19:

    Übrigens: Dieser Artikel über die seit 290 Millionen Jahre verstärkte Impaktrate war auch sehr interessant. Also, Alderamin, wenn du dazu auf weitere Informationen stoßen solltest, wäre das auch ein schönes weiteres Artikelthema.

  8. #8 Till
    21. Januar 2019

    @Captain E.

    Die Wahrscheinlichkeit für intelligentes Leben bleibt damit freilich immer noch niedrig, aber vielleicht schaffen es solche Planeten, auch in ihrem Orbit um einen Roten Zwerg Mikroorganismen hervorzubringen.

    Wenn ich mir anschaue wo bei uns auf der Erde überall Mikroorganismen überleben können, dann finde ich es plausibel, dass es auf jedem Planeten, der über längere Zeit flüssiges Wasser halten kann Mikrobielles Leben gibt. Daran zweifelt der Artikel aus meiner Sicht auch gar nicht. Im Artikel geht es ja hauptsächlich um höheres Leben (=Vielzeller).

  9. #9 Captain E.
    21. Januar 2019

    @Till:

    Wobei der Artikel es fraglich erscheinen lässt, dass sich auf einem Planeten in der habitablen Zone um einen Roten Zwerg flüssiges Wasser bilden oder lange halten kann. Selbst eine Atmosphäre würde wohl recht schnell abgetragen. Tja es geht in dem Zusammenhang wohl nichts über G-Sterne.

    Ich bitte um Entschuldigung für meine fälschliche Anrede im vorherigen Beitrag. So etwas Dummes passiert, wenn man den Text in einem anderen Fenster vorformuliert und ihn dann per Ctrl-A, Ctrl-C und Ctrl-V hier hinein kopiert, dabei aber die Endkontrolle vergisst.

  10. #10 Till
    21. Januar 2019

    @Alderamin

    damit in seiner habitablen Zone genug Strahlung im Bereich 700 nm-400 nm (ungefähr dem sichtbaren Licht entsprechend) vorhanden ist
    […]
    dass gemäß einiger Studien Photosynthese auch mit Infrarotlicht möglich sein könnte

    Das Argument, dass Photosynthese so wie bei uns auf der Erde nicht funktioniert finde ich nicht so überzeugend. Es ist sicherlich kein Zufall, dass Pflanzen und Cyanobakterien die Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums nutzen, bei denen das Sonnenlicht am intensivsten auf der Erdoberfläche ankommt. Schon die Photosynthese bei uns auf der Erde nutzt pro Sauerstoffatom zwei Photonen. Da finde ich es nicht abwegig, dass Photosynthese prinzipiell auch drei oder vier energieärmere (infrarot) Photonen nutzen könnte, wie in “einigen Studien” untersucht. Das ist zwar hypothetisch aber plausibel.

    Für Sterne mit Massen zwischen 13% und 21% der Sonnenmasse würde die Anreicherung der Atmosphäre mit Sauerstoff zwar möglich sein, aber viel länger als auf der Erde dauern, möglicherweise länger als das bisherige Alter des Universums.

    Das es bei einem roten Zwerg länger dauert bis höheres Leben entstehen kann, ist vielleicht auch ein gutes Zeichen: Einerseits ist es eine Erklärung des Fermi Paradoxons. Andererseits wimmelt es da draussen evtl. von habitablen Planeten, die “bald” genügend Sauerstoff für vielzelliges Leben haben 😉

    Aus meiner Sicht viel fundamentaler ist das Problem, dass die Planeten bei roten Zwergen schwierigkeiten haben werden eine Atmosphäre zu bekommen (“Exoplanetarischer Föhn”) bzw. zu halten (starke Flares). Ohne Atmosphäre kein Wasser und ohne Wasser kein Leben.

  11. #11 Till
    21. Januar 2019

    @Captain E. #9
    Da haben wir uns wohl überschnitten. Was das Problem mit dem Wasser angeht sind wir uns jedenfalls einig ;-).

  12. #12 Captain E.
    21. Januar 2019

    @Till:

    Da haben wir uns wohl überschnitten. Was das Problem mit dem Wasser angeht sind wir uns jedenfalls einig ;-).

    Ich denke, ja.

    Ansonsten scheint es aber in der Umgebung eines Roten Zwergs allerdings eher ungemütlich zu sein. Nur wie gesagt muss nicht jeder Planet, der seine Sonne auf einer nahen Umlaufbahn umkreist, dies gebunden tun. Auf 2:3-Planeten würde zumindest die gesamte Oberfläche irgendwann einmal beschienen – keine Seite mit ewigem Tag bzw. ewiger Nacht. Selbst wenn das nur ein sehr geringer Prozentsatz wäre, so gibt es doch ziemlich viele Rote Zwerge – und die gehen ja auch nicht so schnell weg.

  13. #13 Alderamin
    21. Januar 2019

    @Captain E.

    Ich frage mich allerdings gerade, wieso man so oft davon ausgeht, dass sich ein möglicher habitabler Planet um einen Roten Zwerg nur in einer gebundenen Rotation befinden könne. Was spricht gegen eine 2:3-Resonanz, wie es sie auch beim Merkur gibt?

    Hier gibt’s ein Diagramm, das den Radius für gebundene Rotation und die Lage der habitablen Zone gegenüber der Sternenmasse aufträgt. Merkur ist gerade eben innerhalb der Grenze bei der Sonne, deswegen hat sich hier wohl die 2:3-Resonanz halten können. Nur bei den massivsten Roten Zwergen (0,5 Sonnenmassen) reicht die habitable Zone bis zur gestrichelten Linie, das sind aber die wenigsten. Leichtgewichte wie Proxima oder TRAPPIST-1 haben ihre habitable Zone tief im Bereich der gebundenen Rotation, wo nur 1:1 Resonanz möglich ist.

  14. #14 Alderamin
    21. Januar 2019

    @Till

    Wenn ich mir anschaue wo bei uns auf der Erde überall Mikroorganismen überleben können, dann finde ich es plausibel, dass es auf jedem Planeten, der über längere Zeit flüssiges Wasser halten kann Mikrobielles Leben gibt.

    Zum Einen: die Bedingungen, an die sich bestehendes Leben anpassen kann und diejenigen, unter denen es entstehen kann, könnten vollkommen verschieden sein, das wissen wir noch nicht.

    Zum Anderen: die erste der beiden neuen Arbeiten schließt mikrobielles Leben in reduzierenden Atmosphären von Planeten Roter Zwerge nicht aus, nur höheres Leben, das Sauerstoff braucht. Bei der Suche nach Bioindikatoren werden wir nach Sauerstoff in Kombination mit Methan suchen. Sauerstoff alleine kann durch Hydrolyse (UV-Licht spaltet Wassermoleküle) in großer Menge entstehen, Methan gibt’s z.B. auf Titan oder Uranus reichlich. Nur in Kombination mit Sauerstoff muss es permanent aufgefrischt werden, da es in oxidierender Atmosphäre keinen Bestand hätte (auf dem Mars in CO2-Atmosphäre auch nicht, nach dem was ich gelesen habe).

    Die zweite Arbeit bezweifelt allerdings überhaupt das Vorhandensein von Wasser auf Planeten Roter Zwerge an, was dann auch die Entstehung von Leben unmöglich machen würde. Allerdings denke ich, dass die Existenz von Wasser auf nahen Exoplaneten mit den neuen Riesenteleskopen im kommenden Jahrzehnt verfiziert oder falsifiziert werden kann, dann wissen wir mehr.

  15. #15 Zhar
    21. Januar 2019

    Grün ist auch nach der Atmo das intensiveste Licht (was auch der wiki-Artikel zeigt) und hier ein paar andere interessante Punkte über die grüne Photosynthese:
    https://www.youtube.com/embed/3BRP4wcSCM0

  16. #16 Alderamin
    21. Januar 2019

    @Captain E.

    Nur wie gesagt muss nicht jeder Planet, der seine Sonne auf einer nahen Umlaufbahn umkreist, dies gebunden tun. Auf 2:3-Planeten würde zumindest die gesamte Oberfläche irgendwann einmal beschienen – keine Seite mit ewigem Tag bzw. ewiger Nacht.

    Im Text habe ich ja bereits darauf verwiesen, dass sogar eine 1:1-Resonanz das Problem nicht wäre, die Atmosphäre kann verhindern, dass der Planet auf einer Seite gegrillt und auf der anderen tiefgekühlt wird. Ein Planet mit 1:1-Resonanz hätte überall ein stabiles Klima, es gäbe keine Jahreszeiten, im Bereich des Terminators könnte das Klima gemäßigt sein. Das wäre eigentlich viel besser als bei einem Planeten, der einen Stern von 0,5 Sonnenmassen in 0,3 AE Abstand alle 80 Tage umkreist und bei 3:2-Spin-Orbit-Resonanz eine Tageslänge von 160 Tagen hätte (mal als konkretes Beispiel durchgerechnet).

  17. #17 Captain E.
    21. Januar 2019

    @Alderamin:

    Gut, eine 3:2-Resonanz ist also bei Unterschreitung einer gewissen Mindestdistanz wohl nicht mehr möglich. Was ist ist aber mit der Annahme, dass selbst dünne, erdähnliche Atmosphären eine gebundene Rotation verhindern könnten? Das wäre dann der Effekt der thermischen Gezeiten. Für merkurähnliche Planeten gilt der definitiv nicht, aber wie soll es auch auf einem Planeten ohne Atmosphäre Leben geben?

    Von den Auswirkungen der solaren Aktivitäten mal ganz abgesehen …

  18. #18 Till
    21. Januar 2019

    @Alderamin

    Zum Einen: die Bedingungen, an die sich bestehendes Leben anpassen kann und diejenigen, unter denen es entstehen kann, könnten vollkommen verschieden sein, das wissen wir noch nicht.

    Da stimme ich Dir absolut zu. Es ist halt nur so, dass wir wissen an welche Bedingungen sich Leben anpassen kann, während wir nur spekulieren können unter welchen Bedingungen es entstehen kann – das letztere Fass wollte ich jetzt nicht wieder aufmachen. Da kommen wir mMn nur weiter, wenn wir auf anderen Himmelskörpern im Sonnensystem definitive Nachweise für Leben finden. Leider sind die vielversprechendsten Raumsondenmissionen hierfür alle noch nicht finanziert.

    Bei der Suche nach Bioindikatoren werden wir nach Sauerstoff in Kombination mit Methan suchen.
    […]
    Allerdings denke ich, dass die Existenz von Wasser auf nahen Exoplaneten mit den neuen Riesenteleskopen im kommenden Jahrzehnt verfiziert oder falsifiziert werden kann, dann wissen wir mehr.

    .. und die Riesenteleskope sollen in den kommenden Jahren fertig werden. D.h. wir können evtl. noch in den 2020ern mit ersten Ergebnissen rechnen — ich bin schon sehr gespannt 😉

  19. #19 Alderamin
    21. Januar 2019

    @Till

    Es ist halt nur so, dass wir wissen an welche Bedingungen sich Leben anpassen kann, während wir nur spekulieren können unter welchen Bedingungen es entstehen kann

    Zumindest gibt es Grund zur Annahme, dass die Entstehung von reproduzierfähigen Riesenmolekülen ziemlich speziell Bedingungen benötigt. Solche Ketten sind ja normalerweise nicht unbedingt stabil, also insbesondere nicht hitzetolerant.

    Aber klar, am Ende zählt nur die Beobachtung. Wobei uns allerdings auch der Nachweis von Methan + Sauerstoff in einer Planetenatmosphäre keine Gewissheit darüber geben würde, dass biologische Prozesse am Werk sind (sieht man auch an der derzeitigen Diskussion über den Ursprung des Mars-Methans). Solange wir kein Funksignal von einer Intelligenz empfangen oder eine Mikrobe unter dem Mikroskop haben, gibt’s immer die Möglichkeit einer nichtbiologischen Erklärung.

  20. #20 Alderamin
    21. Januar 2019

    @Captain E.

    Was ist ist aber mit der Annahme, dass selbst dünne, erdähnliche Atmosphären eine gebundene Rotation verhindern könnten? Das wäre dann der Effekt der thermischen Gezeiten.

    Weiß ich nicht, gibt’s dazu Arbeiten? Habe ich mich noch nicht mit beschäftigt.

  21. #21 UMa
    21. Januar 2019

    Ob es zu einer 1:1 oder 3:2, oder einer anderen Resonanz kommt, hängt doch von der Exzentrizität der Bahn ab.
    Solange eine genügend exzentrische Bahn gegen die Gezeiten aufrecht erhalten werden kann, zur Not durch weitere Planeten, kann es auch andere Resonanzen als 1:1 geben.

  22. #22 Alderamin
    21. Januar 2019

    @UMa

    Wenn die Bahn eng genug ist, wird sie aber auch durch die Gezeitenkraft zirkularisiert. Und ist die Bahn sehr elliptisch, reden wir nicht mehr von einem Planeten in der habitablen Zone.

    Standardaussage in der Literatur ist, dass habitable Planeten Roter Zwerge gebunden rotieren, und damit ist 1:1 Resonanz gemeint, oder?

  23. #23 UMa
    22. Januar 2019

    @Alderamin: Deswegen auch die Einschränkung, dass die Exzentrizität aufrecht erhalten werden muss. Aber man hat ja inzwischen genügend Planeten entdeckt, um festzustellen wie die Exzentrizität bei engen Bahnen aussieht.

    Und ist die Bahn sehr elliptisch, reden wir nicht mehr von einem Planeten in der habitablen Zone.

    Wieso nicht? Es kommt doch hauptsächlich darauf an, wieviel Energie im Jahresmittel absorbiert wird. Es gibt dann eben globale Jahreszeit, die nicht durch die Schrägstellung der Rotationsachse, sondern durch die verschiedene Entfernung zum Stern entstehen.
    Aber ein größerer Ozean dämpft kurzfristige Schwankungen bis zu einigen Erdenjahren einfach weg. Dadurch kann ein Planet auch bei hoher Exzentrizität noch habitabel sein. Bis e=0,4 sollte das Problemlos gehen. Bei e=0,8 wird es an Land ungemütlich, aber im Meer sollte auch das gehen.
    Und bei M-Zwergen wäre ja auch das Jahr in der habitablen Zone auch noch kürzer.
    Beispielliteratur:
    http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/721/2/1295/meta
    https://arxiv.org/abs/1710.01405

  24. #24 Captain E.
    22. Januar 2019

    @Alderamin:

    Was die “thermischen gezeiten angeht, so habe ich das im Wikipedia-Artikel über Gebundene Rotation gefunden. Ein Zitat dort war der kurze Artikel Atmosphäre verhindert gebundene Rotation.

    Mach was draus! 😉

  25. #25 Alderamin
    22. Januar 2019

    @Captain E., UMa

    Mag ja sein, aber gebundene Rotation ist, wie im Artikel vermerkt, gar nicht das Problem bei den Roten Zwergen, sondern deren Glühlampenlicht und das Ausföhnen der protoplanetaren Scheibe während der Entstehung. Und natürlich die Superflares.

    @Captain E.

    Im zweiten Link wird Venus als Beispiel für einen Planeten genannt, bei dem die Atmosphäre die gebundene Rotation verhindert. In dem Diagramm aus #13 liegt die Venus aber ohnehin schon rechts von der gestrichelten Linie, der Grenze für gebundene Rotation. Als Beispiel für thermische Gezeiten taugt die Venus also nur sehr bedingt (zumal sie nur sehr langsam rotiert).

  26. #26 Captain E.
    22. Januar 2019

    @Alderamin:

    Die Flares (und alle anderen solaren Aktivitäten) der Roten Zwerge und ihr sicherlich zerstörerischer Einfluss auf einen Planeten sind noch einmal eine ganz andere Geschichte. Es besteht aber eben die Möglichkeit, dass ein Planet eine gebundene Rotation ausführt, die ungleich 1:1 ist.

    Die Venus ist da tatsächlich noch einmal ein anderer Fall, abgesehen davon, dass sie einen Gelben Zwerg der Spektralklasse G umkreist. Wobei die Venus sich dem Sonnenwind ja auch dadurch entgegenstemmt, dass dieser in der dichten Atmosphäre ein Magnetfeld induziert. Ein eigenes Magnetfeld, das wie bei der Erde vom Kern erzeugt wird, hat die Venus nun einmal nicht (mehr).

    Einem möglicherweise habitablen Planeten im Orbit eines Roten Zwergs dürfte allerdings auch dieser Effekt nicht retten, oder? Ob der geringen Distanz brennt der Stern vermutlich über kurz oder lang jede noch so dichte Atmosphäre weg. Und wenn er weiter weg wäre, könnte kein noch so starker Treibhauseffekt den Planeten warm halten bzw. es gäbe kein Sonnenlicht auf dem Boden.

    Wie weit weg von einem Roten Zwerg dürfte wohl eine Exo-Venus sein, um einigermaßen akzeptable Temperaturen zu haben? Von Sonnenlicht wollen wir da gar nicht mal reden.

  27. #27 Alderamin
    23. Januar 2019

    @Captain E.

    Es besteht aber eben die Möglichkeit, dass ein Planet eine gebundene Rotation ausführt, die ungleich 1:1 ist

    Ja, kann sein, aber das wäre meiner Auffassung nach kein Vorteil s.o.

    Einem möglicherweise habitablen Planeten im Orbit eines Roten Zwergs dürfte allerdings auch dieser Effekt nicht retten, oder?

    So stark kann kein Magnetfeld sein, den Planeten vor Superflares zu schützen. Auf der Erde gibt’s ja auch gelegentlich Stress mit ganz normalen koronalen Massenauswürfen (Carrington-Event), un das viel weiter weg vom Stern. Und das Magnetfeld schützt sowieso überhaupt nicht vor UV- und Röntgenstrahlung eines Flares.

  28. #28 René
    23. Januar 2019

    Es besteht aber eben die Möglichkeit, dass ein Planet eine gebundene Rotation ausführt, die ungleich 1:1 ist.

    Die Definition für gebundene Rotation ist doch, dass die Rotationsperiode des umkreisenden Körpers seiner Revolutionsperiode um den zentralen Körper entspricht, und ihm somit immer die selbe Seite zuwendet. Einmal um sich selbst drehen = einmal herumwandern => 1:1

  29. #29 Captain E.
    23. Januar 2019

    @René:

    Das kann man so oder so sehen. Sieh dir doch einfach mal den von mir verlinkten Wikipedia-Artikel an. In dem werden 3:2-Rotationen ebenfalls erwähnt. Gebunden sind solche halt dadurch, dass der kleinere Himmelskörper ohne den größeren, den er umkreist, diese Rotation, die ja sogar stabil ist, eben nie erreicht hätte. Von daher gesehen ist das auch eine gebundene Rotation. Ein (das?) Beispiel in unserem Sonnensystem ist der Merkur, der in einer 3:2-Rotation an die Sonne gebunden ist. Die meisten Monde sind natürlich mit 1:1-Rotationen unterwegs.

  30. #30 Alderamin
    23. Januar 2019

    @Captain E.

    Ist die Frage, was hier der Oberbegriff ist: Spin-Orbit-Resonanz oder gebundene Rotation.

    Vom intutitiven Verständnis her scheint mir gebundene Rotation der 1:1-Spezialfall einer Spin-Orbit-Resonanz zu sein. In der deutschen Wikipedia sieht es anders herum definiert aus (muss aber keine Absicht sein), weil Spin-Orbit-Resonanz unter dem Begriff “Gebundene Rotation” erklärt ist.

    In der englischen Wikipedia ist hingegen synchronous rotation als Spezialfall von Tidal Locking beschrieben.

  31. #31 Captain E.
    23. Januar 2019

    @Alderamin:

    Ja, genau so ist es. Das wäre vielleicht auch mal ein Artikelthema: Welche dieser Spin-Orbit-Resonanzen kennt man oder kann man sich vorstellen? Oder unter welchen Bedingungen kommt es nicht zu Resonanzen? Die Planeten außer dem Merkur rotieren ja ziemlich ungebunden.

  32. #32 René
    23. Januar 2019

    @Captain E.:

    Nun. Ich wollte nur die gebräuchliche Definition von “gebundene Rotation” nochmal erwähnen. Wenn Du das anders sehen kannst, okay.

    Aber wie @Alderamin schon sagte, ist das ja gar nicht der Kernpunkt seines Artikels, denn die gebundene Rotation stellt demzufolge nicht das Hauptproblem für die Entstehung eines lebensfreundlichen Klimas dar.

    Daher ist die Diskussion darum, was denn nun genau “gebundene Rotation” sei, eigentlich unerheblich für’s Thema.

  33. #33 René
    23. Januar 2019

    @Captain E.: Es steht in dem von Dir verlinkten Wikipedia-Artikel gar nicht, dass 3:2-Resonanz gebundene Rotation sei. Lediglich ist sie im selben Artikel mit dem Hinweis “kann auch stabil sein” erwähnt.

  34. #34 jorm
    Ulm
    3. Februar 2019

    Deprimierend aber überaus interessant. Mehr Fakten finde ich immer gut 🙂

  35. #35 Stefan K.
    Laufenburg
    7. Februar 2019

    Im ersten Moment scheinen diese Zusatzinformationen für Leben auf Planeten um Rote Zwerge weiter einschränkend zu sein.

    Mit Blick auf die Erde dürfen wir sagen, dass biologische Systeme jede Art von regelmässig auftretendem Energieeintrag nutzen oder zumindest darauf reagieren. Ob das die Fruchtbarkeitszyklen sind, die sich am extrem schwachen Mondlicht ausrichten oder die Hautpigmentierung, die auf UV-Strahlen reagiert oder das Erdmagnetfeld zur Orientierung oder Ionengefälle in Flüssigkeiten.

    Warum sollte sich Leben auf Planeten um Rote Zwerge nicht von Anfang an auf die speziellen Umstände dieses Systems eingerichtet (in Wechselwirkung selbstorganisiert) haben?

    D.h. die gebundene Rotation, die regelmässig wiederkehrende Flares mit UV- und Röntgenstrahlung, der Lichteintrag im roten und infraroten, der hohe Protoneneintrag(Sonnenwind) und die extrem hohe elektrische Aufladung der Atmosphäre.

    Z.B. erlaubt der hochenergetische Eintrag von Anfang an Molekülbindungen (Stickstoff, Silizium), die auf der Erde erst sehr viel später durch Enzyme oder andere katalytische Prozesse möglich werden. Die Basis für komplexe Moleküle könnte dort von Anfang an viel breiter und gleichzeitig wiederum langfristig viel stetiger sein.

    Auch das Wasserproblem halte ich mit Blick auf die Föhnwirkung für nicht zu gravierend:
    1. Das Material sammelt sich eben weiter aussen und ist möglw. noch stärker verklumpt, sprich grössere Brocken.
    Nehmen wir da Proxima Centauri, dessen Bahn wiederkehrend von Alpha- und Beta-Centauri gestört wird. Müssten da nicht regelmässig Kaskaden von Kometen auf innere Bahnen gelenkt werden?
    Evtl. sogar solche des grösseren Systems (Alpha + Beta)?
    Und würde ein Planet, der sich so nah an seiner Sonne befindet (im Vergleich zur Erde), nicht wesentlich mehr von diesen Kometen oder Bruchstücken einfangen?
    2. Laut zweier Artikel (www.scinexx.de/news/technik/gewaltige-sauerstoff-quelle-im-erdmantel-entdeckt und http://www.scinexx.de/news/geowissen/erdmantel-birgt-gewaltige-wassermengen) werden enorme Mengen Sauerstoff und ein Mehrfaches der gesamten Weltmeere an H2O recyclierend im Erdmantel gespeichert.
    Und erst recht, wenn der Planet die 2- bis 3-fache Masse der Erde hätte.
    3. Müsste sich durch den hohen solaren H+ Eintrag auf dem Planeten nicht ständig H2O (und nette andere Moleküle) nachbilden?

    Kommen wir zu den Flares und der UV- und Röntgenstrahlung.
    Was spricht dagegen, dass sich Leben dort „mit“ diesen Umständen selbstorganisiert hat?
    Was spricht dagegen, dass sich in Lebewesen dort von Anfang an (durch Reiz-und-Reaktion auf elementarer Ebene) ein Sensorium entwickelt hat, das die Flares (z.B. anhand der Magnetfelder und Radiostrahlung der nahen Sonne) detektiert und sich dann gegen die von Röntgenstrahlung begleiteten Flares z.B. unterirdisch oder in grösserer Meerestiefe schützt?
    Oder z.B. einen leichten, nanoschwammartigen Bleipanzer/Behausung/Höhle/Schale entwickelt hat, in die sie sich für die Zeit des Flares zurückziehen. Siehe richtungsweisenden Artikel hier: http://www.scinexx.de/news/technik/forscher-erschaffen-metallisches-holz/
    Oder/und erweiterte Reparaturmechanismen ihres systemischen Aufbaus entwickelt haben? (Siehe Bärchentiere).

    UV-Strahlung dürfte sich in gemässigten Zonen Richtung Pole durch den langen Weg der Atmosphäre deutlich abschwächen, evtl. sogar durch bestimmte Molekülsorten reflektiert oder in tiefere Wellenlängen verwandelt werden. Vlt. reichen in solchen Zonen einfache Schutzschichten aus, um diese Strahlung abzuwehren.

    Vlt. nutzt Leben/Natur dort sogar diesen starken Energieeintrag, wie auf der Erde blaues und rotes+infrarotes Licht für Photosynthese genutzt wird.
    UV-Licht könnte z.B. in einem Vorprozess (Stichwort: optische Aufheller) in „sichtbares“ Licht verwandelt und anschl. photosynthetisch genutzt werden.
    Ich halte eine solche Art der Nutzung sogar für sehr wahrscheinlich und das würde die Berechnung der pot. möglichen Biomasse verändern.

    Mit diesen Überlegungen bin ich nicht so leicht bereit erdähnliche Planeten in habitabler Zone um Rote Zwerge schon jetzt abzuschreiben.
    Zu Vieles ist da bisher noch nicht benannt und erkannt worden 🙂