Wir sind immer noch auf der Suche nach der “zweiten Erde”. Also nach einem Planeten der einen anderen Stern umkreist, aber trotzdem die gleichen lebensfreundlichen Bedingungen aufweist wie unsere Erde. Medien verkünden zwar gerne, man hätte sie schon entdeckt. Was aber Quatsch ist; wir können höchstens Planeten finden, die so groß wie die Erde sind und die ihrem Stern nicht zu nahe und nicht zu fern sind. Das ist hilfreich für lebensfreundlich Bedingungen, aber bei weitem noch nicht alles was nötig ist. Und je mehr wir über Sterne und Planeten lernen, desto besser verstehen wir, was die lebensfreundlichen Bedingungen alles zerstören kann. Die Aktivität eines Sterns zum Beispiel.

Colin Johnstone von der Universitätssternwarte Wien und seine Kollegen haben sich das kürzlich mal genau angesehen (“Extreme hydrodynamic losses of Earth-like atmospheres in the habitable zones of very active stars”). Wie beeinflusst die Aktivität eines Sterns einen lebensfreundlichen Planeten in seiner Umgebung? Mit “Aktivität” ist hier das gemeint, was ein Stern neben Leuchten sonst noch so macht. Die Aktivtät eines Sterns ist das Resultat der elektromagnetischen Vorgänge in seinem Inneren: Das ganze heiße Gas aus dem ein Stern besteht ist elektrisch geladen. Das liegt daran, dass die Atome dort aufgrund der hohen Temperaturen ihre Atomhülle verloren haben. Es gibt nun also nicht mehr elektrisch neutrale Teilchen, sondern elektrisch positiv geladene Atomkerne und elektrisch negativ geladene Elektronen aus der Atomhülle. Sich schnell bewegende elektrisch geladene Teilchen erzeugen ein Magnetfeld; das Magnetfeld beeinflusst aber wiederum wie sich die elektrisch geladenen Teilchen bewegen können. Die Bewegung der Materie des Sterns schleppt also das Magnetfeld mit sich mit und – ganz vereinfacht gesagt – kommt es da immer wieder zu “Kurzschlüssen”; jede Menge Energie wird frei und Teilchen der Sternmaterie werden mit hoher Geschwindigkeit hinaus ins All geschleudert. Bei solchen Aktivitätsausbrüchen könnne auch große Mengen hochenergetischer Strahlung – zum Beispiel Röntgenstrahlung – freigesetzt werden. Und da fangen die Probleme an…

Die Sonne ist aktiv. Aber nicht so viel… Bild: NASA’s Goddard Space Flight Center/SDO

Wenn die hochenergetische Strahlung eines Sterns auf die Atmosphäre eines Planeten trifft, können die Teilchen dort aufgeheizt werden. Sie bewegen sich dann so schnell, dass sie ins All entkommen können. Oder anders gesagt: Die Aktivität eines Sterns sorgt dafür, dass ein Planet seine Atmosphäre verliert. Allerdings nur, wenn sie stark genug ist. Unsere Sonne ist brav. Sie war nur in ihrer Jugendzeit sehr aktiv; mittlerweile hat sie sich, so wie alle Sterne ihres Typs, einigermaßen beruhigt. Es kommt zwar immer noch ab und zu zu “Sonnenstürmen” und Aktivitätsausbrüchen. Aber mit denen kommt unsere Atmosphäre recht gut klar, was man ja auch daran sieht, dass wir sie 4,5 Milliarden Jahre nach ihrer Entstehung immer noch auf der Erde haben.

Aber es gibt auch Sterne die viel aktiver sind. Johnstone und seine Kollegen haben nun in Computermodellen untersucht, wie es dann mit der Erde aussehen würde. Sie haben die Sonne durch einen Stern mit Sonnenmasse ersetzt, dessen Aktivität dem eines typischen hochaktiven Sterns entspricht. Den Unterschied kann man in diesem Bild sehen:

In rot sieht man, was die Sonne jetzt tut; in blau den aktiven Stern aus dem Modell.. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge des Lichts zu sehen; auf der y-Achse die Menge an Energie die bei einer bestimmten Wellenlänge abgegeben wird. Bei langen Wellenlängen ist der Unterschied gering; im für unsere Augen sichtbaren Licht würde man vermutlich kaum einen Unterschied siehen. Aber links im Diagramm, da wo die hochenergetische Strahlung ist, gibt es einen großen Unterschied.

Was macht die hohe Aktivität nun mit der Atmosphäre der Erde? Sie sorgt für deren Verschwinden; so viel war vorher schon klar. Höchst überraschend war aber die Geschwindigkeit in der das geschieht: Zwei Millionen Kilogramm Atmosphäre verschwinden im All und das in jeder Sekunde! Es dauert weniger als eine Million Jahre, bis die Erde ohne Lufthülle dasteht. Das ist aus astronomischer Sicht quasi sofort. In der Nähe eines hochaktiven Sterns scheint es also unmöglich, einen Planeten mit lebensfreundlichne Bedingungen zu kriegen.

Wie gesagt: Unsere Sonne ist brav; wir müssen keine Angst haben, dass uns die Atmosphäre demnächst abhanden kommt (wir sollten uns nur darum sorgen, was wir Menschen mit dieser Atmosphäre anstellen…). Aber andere Sterne sind – wenig überraschend – anders. Das gilt vor allem für die roten Zwerge. Das sind Sterne mit einer viel geringeren Masse als die der Sonne. sie leuchten schwächer, sind kühler, kleiner und sie sind zahlreich! Fast drei Viertel aller Sterne im Universum sind rote Zwerge und sie sind überall. Proxima Centauri etwa, der uns am nächsten gelegene Sterne ist einer davon. Wir wissen auch, dass rote Zwerge Planeten haben und wir haben sogar schon einige entdeckt, die “erdähnlich” sind; also deren Größe der Größe der Erde entspricht und die ihrem roten Zwerg ausreichen nahe sind um prinzipiell ausreichend Wärme für lebenfreundliche Bedingungen abzukriegen.

Rote Zwerge geben b gute Motive für Science-Fiction-Landschaften. Aber wohnen tut es sich dort eher schlecht… (Künstlerische Darstellung: ESO/L. Calçada)

Rote Zwerge sind aber auch extrem aktive Sterne! Das liegt daran, dass sie so klein sind. Dadurch wird ihre gesamte Masse ständig umgewälzt; heißes Material aus dem Kern des Sterns kann bis zur Oberfläche aufsteigen und dort dann wieder bis ganz zurück in den Kern sinken. Bei unserer Sonne ist die Zone in der solche Umwälzungen stattfinden vergleichsweise klein; bei den roten Zwergen umfasst sie den ganzen Stern. Das führt auch zu einer viel größeren Aktivität die auch nicht aufhört sondern über die gesamte Lebensdauer des Sterns bestehen bleibt.

Das sind schlechte Nachrichten für die Suche nach der “zweiten Erde”. Die Sterne, die die absolute Mehrheit im Universum stellen, sind aufgrund ihrer hohen Aktivität eher schlecht geeignet, einen lebensfreundlichen Planeten zu beherbergen. Wir müssen bei den sonnenähnlichen Sternen suchen. Aber die sind auch viel seltener…

Kommentare (9)

  1. #1 UMa
    25. April 2019

    Dazu gab es schon Arbeiten von Kasting vor mehr als 10 Jahren.
    Letztlich hängt der Verlust der Atmosphäre von deren Zusammensetzung (und auch der Fluchtgeschwindigkeit) ab. Sauerstoff (O2) absorbiert deutlich mehr extreme UV Strahlung und wird dabei in O gespalten, was beides die Temperatur der obersten Atmosphäre erhöht und den Atmosphärenverlust begünstigt. Obere Atmosphären mit geringerer Absorption von extremer UV Strahlung oder einer starken Infrarot Kühlung sind weniger betroffen.
    Die junge Sonne war früher aktiver, so dass die heutige Atmosphäre vor 3 bis 4 Milliarden Jahren wohl entkommen wäre.
    Zum Glück gab es damals noch keine nennenswerten Mengen Sauerstoff in der Erdatmosphäre. Sonst wären wir vermutlich den Stickstoff und möglicherweise auch das Wasser los.

  2. #2 Mars
    25. April 2019

    “Unsere Sonne ist brav” .. derzeit

    das betrifft des kurzwellige Spektrum, mit direktem bezug auf biologische vorgänge.

    nun sind wir aber keine Einzeller mehr, und leben in/auf einer sehr technischen, stark vernetzten, elektrifizierten welt, deren herz in tausenden von Satelliten über der Atmosphäre schlägt
    Derzeit ist unsere Sonne wirklich brav, seit langem in einem aktivitätsminimum, und auch das/die letzten maximas waren nicht so übermässig.

    problematisch wird es für uns – auch ohne Röntgenstrahlen – wenn sich die Aktivität so steigert, dass es eben einfluss auf unsere technischen Systeme hat.
    das mag uns als ‘biologische dateneinheiten’ sicher mehr aus der bahn werfen.

    evt kann einer in dem zusammenhang mal auf die derzeitigen, doch eher nidrigen aktivitätsverläufe als Thema eingehen.

  3. #3 Spritkopf
    25. April 2019

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    Oh, wie nett. Ein Blogspammer mit Klickibunti-Webseite aus längst vergangen geglaubten 90er-Jahre Netscape-Navigator-Zeiten, aber dafür ohne gültiges Impressum. Na, da wird die fällige Abmahnung sicher nicht lange auf sich warten lassen.

  4. #4 Gilles Quinet
    25. April 2019

    Hinzu kommt wohl noch die gebundene Rotation und das wahrscheinlich fehlende Magnetfeld.
    Da wird die Rare-Earth-Hypothese immer wahrscheinlicher, zumal das Universum ja auch nicht “geschaffen” wurde, um Leben hervorzubringen, sondern sich dieses ganz einfach aufgrund der gegebenen Umstände entwickeln konnte. Wohl noch ein Grund mehr auf den blauen Planeten ein wenig besser aufzupassen. Eine zweite Chance hat die Menschheit wohl nicht.

  5. #5 Leser
    26. April 2019

    Wenn man Leben auf das Leben auf der Erde begrenzt, findet man natürlich nur wenige Planeten, wo irdisches Leben möglich ist. Und irdisches Leben hat auch nicht in einer Sauerstoff-Athmosphäre begonnen.

    Wenn man bedenkt, daß das Leben auf der Erde unter Wasser begonnen hat, stört dabei erhöhte Strahlung nicht. Und das Fehlen von Sauerstoff auch nicht. Allerdings kann man nicht sagen, wie sich das Leben entwickelt hätte, wenn andere Bedingungen als auf der Erde geherrscht hätten. Da das Leben aber sehr anpassungsfähig ist, halte ich es für möglich, daß sich das Leben auch an andere Bedingungen anpassen kann. Fest steht aber, daß Leben bei erhöhter Strahlung das Wasser nicht mehr verlassen kann.

    Wenn man bedenkt, daß Leben auf der Erde 3 Milliarden Jahre gebraucht hat, um mehrzellig zu werden, und noch einmal etwa eine halbe Milliarde Jahre gebraucht hat, um intelligent zu werden, dann scheint es wahrscheinlich, daß einfaches (einzelliges) Leben oft möglich ist, vielzelliges Leben aber selten ist. Und intelligentes Leben wird in so einer Betrachtung unwahrscheinlich und setzt voraus, daß die Lebensbedingungen über viele Milliarden Jahre stabil sind. Diese Bedingung ist bei roten Zwergen besonders gut erfüllt.

    Vielleicht kann sich bei Planeten von roten Zwergen wegen der Strahlungsausbrüche Leben nur unter Wasser entwickeln. Aber intelligent kann es trotzdem werden !

  6. #6 Leser
    26. April 2019

    Und was mir noch auffällt, ist daß nach dem Bild von Johnstone et al, die Strahlung eines derartigen roten Zwergsternes erheblich (unter 50 nm um den Faktor 100 zu viel) von der Strahlung eines schwarzen Strahlers abweicht. Dazu muß es auf der Oberfläche des roten Zwergsternes Bereiche geben, die erheblich heißer sind, als der Rest der Oberfläche. Auch wesentlich heißer als die Oberfläche unserer Sonne. Bei unserer Sonne ist die Oberfläche sehr gleichmäßig heiß und eine Granulation durch vertikale Konvektion (Strömung) ist mit dem bloßen Auge auch am Teleskop nicht erkennbar. Bei unserer Sonne sind nur Bereiche geringerer Temperatur an den Stellen erkennbar, wo Magnetfeldlinien die Oberfläche der Sonne durchstoßen (Sonnenflecken). Deshalb würde ich persönlich davon ausgehen, daß die Strahlung eines derartigen roten Zwergsterns hauptsächlich aus einem Sternenwind (schnelles Plasma) besteht. Selbst wenn dieser Sternenwind die Oberfläche des Planeten erreichen würde, könnte er doch nie in diese Oberfläche eindringen. Es wäre dann nur kein Leben auf dieser Oberfläche möglich, sondern nur darunter (im Wasser).

  7. #7 Alderamin
    26. April 2019

    @Leser

    Bei unserer Sonne ist die Oberfläche sehr gleichmäßig heiß und eine Granulation durch vertikale Konvektion (Strömung) ist mit dem bloßen Auge auch am Teleskop nicht erkennbar.

    Es geht um Flares. Die gibt es auch auf der Sonne, und die sind wesentlich heller als die normale, nicht aktive Sonnenoberfläche. Aber kein Vergleich mit den Flares Roter Zwerge.

  8. #8 Leser
    26. April 2019

    @ Alderamin

    “Es geht um Flares……und die sind wesentlich heller als die normale, nicht aktive Sonnenoberfläche”

    Ich habe noch nie ein Flare vor der leuchtenden Sonnenoberfläche ohne Filter (Dämfungsfilter erlaubt) mit den Auge gesehen. Das Flare ist bei unsrer Sonne optisch nicht heller als die Oberfläche. Im Röntgenbereich möglicherweise schon. Aber das kann ich ja nicht sehen. Sonnenflecken habe ich schon viele gesehen, Venus und Merkur vor der Sonne auch.

    Und auch Flares verhindern das Leben unter Wasser, wie oben beschrieben, nicht.

  9. #9 Alderamin
    26. April 2019

    @Leser

    Du sprachst von 50 nm, das ist ja gerade Röntgenlicht. Sonnenfackeln kann man aber auch im Teleskop mit bloßem Auge sehen. Und was rote Zwerge betrifft…

    https://abenteuer-astronomie.de/kein-gutes-leben-auf-planet-b-flares-auf-proxima-centauri-schaden-atmosphaere/