Einer der vielen Aspekte, der die Suche und Erforschung der Planeten anderer Sterne so interessant macht, ist die Möglichkeit, dabei einen Himmelskörper zu finden, auf dem Bedingungen wie auf der Erde herrschen. Bis jetzt sind unsere Möglichkeiten, dabei erfolgreich zu sein, allerdings ein wenig eingeschränkt. Uns fehlt die Technik, die entsprechenden Informationen zu sammeln. Wir können herausfinden, wie groß ein Planet ist und welche Masse er hat. Wir können außerdem bestimmen, wie weit er von seinem Stern entfernt ist. Das sagt uns natürlich schon einiges: Mit diesen Daten lässt sich herausfinden, ob er sich in der sogenannten “habitablen Zone” befindet, also dem Bereich um einen Stern, in dem dessen Strahlung nicht zu stark und nicht zu schwach ist. Ein Planet, der sich dort befindet, könnte auf seiner Oberfläche die gleichen Temperaturen haben, wie die Erde. Aber er muss nicht… da spielen auch noch viele andere Faktoren eine Rolle. Die Masse zum Beispiel hat großen Einfluss darauf, ob und welche Atmosphäre so ein Himmelskörper haben kann. Aber selbst ein erdgroßer Planet mit einer erdähnlichen Masse in der habitablen Zone muss noch lange keine “zweite Erde” sein. Da gibt es noch mehr zu bedenken. Vulkane zum Beispiel!

Es gibt einige (mehr oder weniger) subtile Faktoren, die die Habitabilität eines Planeten beeinflussen. Die Zusammensetzung der Atmosphäre zum Beispiel. Eine “zweite Erde” sollte aber auch ein Magnetfeld haben, damit das Leben von der gefährlichen kosmischen Strahlung abgeschirmt ist. Ein oft unterschätzter Faktor für die Bewohnbarkeit ist aber auch die geologische Aktivität. Es gibt durchaus plausible Hinweise, dass das Leben auf der Erde im Umfeld von vulkanischen Inseln entstand. Oder in der Nähe unterseeischer heißer Quelle, deren Existenz ebenfalls auf Vulkanismus, geologische Aktivität bzw. Plattentektonik zurückzuführen ist. Die geologische Aktivität beeinflusst aber auch die Menge an mineralischen Nährstoffen, die für Leben verfügbar ist. Und das Klima wird langfristig ebenfalls durch die Entstehung und Vernichtung von Gestein aufgrund geologischer/vulkanischer Prozesse (mit)gesteuert. Man kann also davon ausgehen, dass ein lebensfreundlicher Planet auch geologisch aktiv sein muss. Oder aber zumindest davon, dass geologische Aktivität der Entstehung und dem Erhalt von Leben auf einem Planeten förderlich ist.

Ausbruch des Vulkans Pinatubo im Jahr 1991 (Bild: USGS, gemeinfrei)

Ausbruch des Vulkans Pinatubo im Jahr 1991 (Bild: USGS, gemeinfrei)

Bei unserer Suche nach einer “zweiten” Erde sollten wir also auch auf Vulkanismus achten. Aber wie entdeckt man Vulkane, die sich auf Planeten befinden, die einen anderen Stern umkreisen? Ganz einfach: So wie alles andere in der Astronomie auch! Man muss nur das Licht ganz genau betrachten! Und wie das funktionieren kann, haben Amit Misra von der Universität Washington in Seattle und seine Kollegen kürzlich im Detail ausgearbeitet (“Transient Sulfate Aerosols as a Signature of Exoplanet Volcanism”). Sehen kann man den Ausbruch eines extrasolaren Vulkans natürlich nicht. Wir können ja nicht mal die Planeten selbst richtig “sehen”. Momentan sowieso so gut wie gar nicht und auch in Zukunft werden wir nicht mehr als einen Lichtpunkt in den Bildern der Teleskope erkennen können. Aber das reicht trotzdem, denn in diesem Licht steckt jede Menge Information.

Wenn ein Vulkan ausbricht, dann verändert er dadurch zumindest kurzfristig die Zusammensetzung der Atmosphäre. Staub, Schwefel und diverse andere Moleküle gelangen in die Luft und das hat Folgen. Wenn der Planet das Licht seines Sterns reflektiert, dann werden bestimmte Teile dieses Lichts durch die Atmosphäre blockiert. Welche das sind, hängt von den chemischen Elementen ab, die sich dort befinden. Noch fällt es uns schwer, solche “Spektren” extrasolarer Planeten aufzunehmen, die Rückschlüsse auf die Zusammensetzung ihrer Atmosphäre zulassen (obwohl sich da langsam etwas tut). Und wenn, dann können wir es nicht gut genug, um kleine Veränderungen zu bemerken, wie sie von Vulkanen verursacht würden. Aber Misra und seine Kollegen haben verschiedene Fälle am Computer simuliert und nachgesehen, ob sie mit zukünftigen Instrumenten wie dem European Extremly Large Telescope (EELT) oder dem James-Webb-Space-Telescope (JWST) nachzuweisen wären.

Und sie kommen zu dem Schluss, dass wir durchaus zuversichtlich sein können. Hier ist ein Beispiel der Simulationen für einen erdähnlichen Planeten in knapp 33 Lichtjahren Entfernung:

Das Bild zeigt die Wellenlänge des Lichts auf der x-Achse und ein Maß für seine Absorption auf der y-Achse. Die blaue Linie zeigt den Normalfall ohne Vulkanismus an. Die grüne Linie würde man messen, wenn auf dem Planeten ein Vulkanausbruch stattfinden würde, der der Eruption des russischen Sarytschew-Vulkans im Jahr 2009 entsprechen würde. Das war ein vergleichsweise kleiner Ausbruch, was man auch am geringen Unterschied zwischen blauer und grüner Linie erkennt. Wesentlich stärker war der Ausbruch des Pinatubo im Jahr 1991, dessen Effekt auf die Atmosphäre mit der roten Linie angezeigt wird.

Ein solcher Vulkanausbruch, so das Fazit der Astronomen, wäre mit den neuen Instrumenten auf jeden Fall detektierbar und das sogar schon nach relativ wenigen Beobachtungen. Kleinere Eruptionen wie beim Sarytschew dagegen liegen auch in Zukunft in der Nähe des technisch gerade noch messbaren. Wenn es also auf extrasolaren Planeten größere Vulkanausbrüche gibt, dann können wir das feststellen! Natürlich muss man dann auch mit anderen Beobachtungen sicherstellen, dass man keinen anderen Effekt gesehen hat (Staubstürme zum Beispiel oder einen Asteroideneinschlag). Aber die Detektion einer solchen vulkanischen Signatur könnte ein weiterer wichtiger “Biomarker” sein, also ein Hinweis auf die Existenz von Leben bzw. lebensfreundlicher Bedingungen.

Noch ist das alles nur eine Simulation in einem Computer. Aber wer weiß, was uns die Realität bringen wird, wenn die neuen Teleskope erst fertig sind! Instrumente dieser Größenordnung hat es bis jetzt noch nie gegeben. Wir werden einen völlig neuen Blick auf das Universum haben. Und neben vielen anderen Dingen vielleicht auch ein paar extrasolare Vulkane sehen können…

Kommentare (8)

  1. #1 Alderamin
    30. April 2015

    @Florian

    Was sagt mir denn die seltsame Einheit “Effective Absorbing Radius (km)” an der y-Achse? Hätte eher eine Prozent- oder Anteilsgewichtung relativ zum normalen Spektrum erwartet.

  2. #2 Florian Freistetter
    30. April 2015

    @Alderamin: Ich kann es nicht sicher sagen, aber ich denke, das ist der Radius des Planeten, den man während eines Transits bestimmen würde. Je nach Menge der Vulkanischen Gase und je nach Wellenlänge kriegt man da ein anderes Ergebnis.

  3. #3 Alderamin
    30. April 2015

    @Florian

    Macht Sinn.

  4. #4 phunc
    30. April 2015

    Aus dem hier diskutierten Paper:
    “As sulfate aerosol abundance increases, the atmosphere becomes more opaque in transit transmission, resulting in higher effective absorbing radii.”

    “This figure shows that the mean effective radius of the atmosphere increases as the aerosol optical depth
    (normalized to background levels) increases. This is because for higher aerosol optical depths, the atmosphere becomes more opaque and is absorbing a great quantity of light.”

    Aus einem anderen Paper:
    “Taken as the planet transits its host star, transit spectroscopy measures the absorption of stellar light by the upper limbs of the planetary atmosphere yielding a wavelength-dependent radius for the planet (Seager et al. 2000). […] The variation in opacity with wavelength can cause the planet to vary in absorption radius by ≈ 5h, where h is the atmospheric scale height, leading to depth variations on the order of 10Rph/R∗ 2 ≈0.1% for 5h ≈ 3500 km, Rp ≈ RJ , and R∗ ≈ R⊙.”
    (doi:10.1017/S1743921311028328)

    Ich glaube Florians Erklärung entspricht genau dem. Ich verstehs aber trotzdem nicht so ganz. Mir bereitet vor allem der Begriff “absorbing radius” Schwierigkeiten, da ich nicht ganz verstehe was man damit meint.

    Was ich aus dem Diagramm lesen kann:

    1) Background: unterschiedliche Wellenlängen des Lichts werden unterschiedlich stark absorbiert, z.B. absorbiert die Atmosphäre vor allem Strahlung im Wellenlängenbereich 400-700 nm, dann bisschen was bei 2 µm (NIR), etwas mehr bei 2.6-2.8 µm (NIR), dann nochmal ordentlich bei 4.2-4.5 µm (MIR) und letztlich noch bei 4.8 µm (MIR). Die Strahlung der dazwischenliegenden Wellenlängenbereiche wird kaum absorbiert, d.h. diese Strahlung wird größtenteils reflektiert (und könnte mit entsprechenden Instrumenten beobachtet werden?).

    2) Pinatubo: kommt es zu einer Eruption, wird die Atmosphäre mit bestimmten Molekülen angereichert, die vor allem im Bereich 1-2 µm und 3-4 µm absorbieren, d.h. diese Verbindungen + Atmosphäre absorbieren nahezu im gesamten sichtbaren sowie IR-Bereich. Macht Sinn, denn je mehr Moleküle in der Atmosphäre desto höher die Wahrscheinlichkeit dass Strahlung mit Elektronen wechselwirken kann.

    Meine “Vermutung” bzgl Absorptions-Radius: manche Wellenlängenbereiche werden bereits in höher gelegenen Atmosphärenschichten absorbiert (40-60 km), wohingegen manche Wellenlängenbereiche in diesen Atmosphärenschichten nicht mit den dort vorliegenden Molekülen wechselwirken und stattdessen “tiefer” in die Atmosphäre eindringen und erst weiter “unten” (30-40 km) mit “anderen” Molekülen wechselwirken, wodurch es zur Absorption kommt.

    Bei einer sauberen Atmosphäre gelangt manche Strahlung sogar noch näher an die Planetenoberfläche, zB 10-20 km und erst hier kommt es zu Wechselwirkungen (und Absorption) weil nur in dieser Atmosphärenschicht entsprechende Moleküle vorliegen die die Strahlung dieser Wellenlänge absorbieren.

    Kommen durch den Vulkanausbruch zusätzlich Moleküle in die Atmosphäre, werden bestimmte Wellenlängenbereiche schon viel “früher” (weiter oben) absorbiert, weil diese Moleküle durch Eruption, Wind, etc in diese oberen Schichten gelangen.

    Ist das soweit richtig?

  5. #5 Florian Freistetter
    30. April 2015

    @phunc: “Ist das soweit richtig?”

    Ich bin auf dem Gebiet kein Experte, aber ich denke: Ja.

  6. #6 Lutz Donnerhacke
    1. Mai 2015

    Da gerade von Vulkanen die Rede ist. Wie haben sich denn die Ausbrüche des Calbuco in Chile (der letzte Ausbruch war heute) auf die Beobachtungen der Südsternwarte ausgewirkt?

  7. #7 Rolf Froböse
    1. Mai 2015

    Sehr interessanter Artikel. Allerdings ist Vulkanismus allein noch kein überzeugender Biomarker (vgl. Frühphasen von Venus und Mars). Ein echter Biomarker wäre der Nachweis großflächiger Feuer durch die Verbrennung von Biomasse. Meine Frage: Gibt es hierzu analoge Untersuchungen? Wie steht es in naher Zukunft mit der Chance, extrasolare Waldbrände zu detektieren?

  8. […] letzte Woche habe ich über die Suche nach Vulkanismus auf extrasolaren Planeten berichtet. Dabei ging es um die […]