Aktuelle Daten deuten darauf hin, dass sich ungefähr ein erdgroßer Planet in der bewohnbaren Zone jedes roten Zwergsterns befindet. Diese Studie verdoppelt ungefähr diese Schätzung.
Eine neue Studie, die den Einfluss des Wolkenverhaltens auf das Klima berechnet, verdoppelt die Anzahl der potenziell bewohnbaren Planeten, die die häufigste Art von Sternen im Universum, den Roten Zwergen, umkreisen. Dieser Befund bedeutet, dass allein in der Milchstraße 60 Milliarden Planeten in der bewohnbaren Zone die Sterne der Roten Zwerge umkreisen.
Forscher der University of Chicago und der Northwestern University stützten ihre Studie, die in Astrophysical Journal Letters erscheint, auf rigorose Computersimulationen des Wolkenverhaltens auf fremden Planeten. Dieses Wolkenverhalten vergrößerte die geschätzte Lebenszone der Roten Zwerge, die viel kleiner und schwächer sind als Sterne wie die Sonne, dramatisch.
Aktuelle Daten aus der Kepler Mission der NASA, einem Weltraumobservatorium, das nach erdähnlichen Planeten sucht, die andere Sterne umkreisen, lassen vermuten, dass sich in der bewohnbaren Zone jedes Roten Zwergs ungefähr ein erdgroßer Planet befindet. Die UChicago-Northwestern-Studie verdoppelt diese Schätzung in etwa. Es schlägt auch neue Möglichkeiten für Astronomen vor, zu testen, ob Planeten, die rote Zwerge umkreisen, eine Wolkendecke haben.
Klimaforscher arbeiten daran, die Rolle von Wolken beim Klimawandel zu verstehen. In der Zwischenzeit verwendeten Astronomen die Wolkenmodelle, um zu verstehen, welche außerirdischen Planeten die Heimat des Lebens sein könnten. Foto von Norman Kuring / NASA GSFC
"Die meisten Planeten in der Milchstraße umkreisen rote Zwerge", sagte Nicolas Cowan, Postdoc am Northwestern Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics. "Ein Thermostat, der solche Planeten fester macht, bedeutet, dass wir nicht so weit suchen müssen, um einen bewohnbaren Planeten zu finden."
Cowan schließt sich Dorian Abbot und Jun Yang von UChicago als Co-Autoren der Studie an. Die Wissenschaftler bieten Astronomen auch die Möglichkeit, ihre Schlussfolgerungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop zu überprüfen, das 2018 starten soll.
Die bewohnbare Zone bezieht sich auf den Raum um einen Stern, in dem umlaufende Planeten flüssiges Wasser an ihrer Oberfläche halten können. Die Formel zur Berechnung dieser Zone ist seit Jahrzehnten weitgehend dieselbe. Bei diesem Ansatz werden jedoch Wolken weitgehend vernachlässigt, die einen großen Klimaeinfluss ausüben.
"Wolken verursachen Erwärmung und sie verursachen Abkühlung auf der Erde", sagte Abbot, ein Assistenzprofessor für Geophysik. „Sie reflektieren das Sonnenlicht, um Dinge abzukühlen, und absorbieren Infrarotstrahlung von der Oberfläche, um einen Treibhauseffekt zu erzielen. Das ist ein Teil dessen, was den Planeten warm genug hält, um das Leben zu erhalten. "
Ein Planet, der einen Stern wie die Sonne umkreist, müsste ungefähr einmal im Jahr eine Umlaufbahn zurücklegen, um weit genug entfernt zu sein, um Wasser auf seiner Oberfläche zu halten. "Wenn Sie um einen massearmen Stern oder einen Zwergstern kreisen, müssen Sie etwa einmal im Monat, alle zwei Monate einen Orbit ausführen, um die gleiche Menge Sonnenlicht zu erhalten, die wir von der Sonne erhalten", sagte Cowan.
Dicht umkreisende Planeten
Planeten in einer so engen Umlaufbahn würden sich irgendwann mit ihrer Sonne versperren. Sie würden immer die gleiche Seite zur Sonne halten wie der Mond zur Erde. Berechnungen des UChicago-Northwestern-Teams deuten darauf hin, dass die dem Stern zugewandte Seite des Planeten an einem Punkt, den Astronomen als substellare Region bezeichnen, eine heftige Konvektion und stark reflektierende Wolken erfahren würde. An diesem Ort steht die Sonne immer mittags direkt über ihnen.
Die dreidimensionalen globalen Berechnungen des Teams ermittelten zum ersten Mal die Auswirkung von Wasserwolken auf den inneren Rand der bewohnbaren Zone. Die Simulationen ähneln den globalen Klimasimulationen, mit denen Wissenschaftler das Erdklima vorhersagen. Dies erforderte eine mehrmonatige Verarbeitung, die hauptsächlich auf einem Cluster von 216 vernetzten Computern bei UChicago ausgeführt wurde. Frühere Versuche, den inneren Rand von Exoplaneten-Wohnzonen zu simulieren, waren eindimensional. Meistens vernachlässigten sie die Wolken und konzentrierten sich stattdessen auf die Darstellung, wie die Temperatur mit der Höhe abnimmt.
"Es gibt keine Möglichkeit, Wolken in einer Dimension richtig zu machen", sagte Cowan. "Aber in einem dreidimensionalen Modell simulieren Sie tatsächlich die Art und Weise, wie sich Luft und Feuchtigkeit durch die gesamte Atmosphäre des Planeten bewegen."
Diese Abbildung zeigt eine simulierte Wolkendecke (weiß) auf einem Planeten (blau), der einen roten Zwergstern umkreist. Planetenforscher an UChicago und Northwestern wenden globale Klimasimulationen auf Probleme in der Astronomie an. Illustration von Jun Yang
Diese neuen Simulationen zeigen, dass Wasserwolken entstehen, wenn sich auf dem Planeten Oberflächenwasser befindet. Die Simulationen zeigen ferner, dass das Verhalten der Wolken einen signifikanten Kühleffekt auf den inneren Teil der bewohnbaren Zone hat, wodurch die Planeten Wasser auf ihren Oberflächen viel näher an der Sonne halten können.
Astronomen, die mit dem James Webb-Teleskop beobachten, können die Gültigkeit dieser Ergebnisse testen, indem sie die Temperatur des Planeten an verschiedenen Punkten seiner Umlaufbahn messen. Wenn ein Exoplanet, der sich in einer Flut befindet, keine nennenswerte Wolkendecke aufweist, messen die Astronomen die höchsten Temperaturen, wenn die Tagesseite des Exoplaneten dem Teleskop zugewandt ist. Dies geschieht, wenn sich der Planet auf der anderen Seite seines Sterns befindet. Sobald der Planet zurückkommt, um dem Teleskop seine dunkle Seite zu zeigen, würden die Temperaturen ihren niedrigsten Punkt erreichen.
Wenn jedoch hochreflektierende Wolken die Außenseite des Exoplaneten dominieren, werden sie viel Infrarotstrahlung von der Oberfläche abhalten, sagte Yang, ein Postdoktorand in den geophysikalischen Wissenschaften. In dieser Situation „würden Sie die kältesten Temperaturen messen, wenn sich der Planet auf der gegenüberliegenden Seite befindet, und Sie würden die wärmsten Temperaturen messen, wenn Sie auf die Nachtseite blicken, da Sie tatsächlich eher auf die Oberfläche als auf diese hohen Wolken blicken. Sagte Yang.
Erdbeobachtungssatelliten haben diesen Effekt dokumentiert. "Wenn Sie Brasilien oder Indonesien mit einem Infrarot-Teleskop aus dem All betrachten, kann es kalt aussehen, und das liegt daran, dass Sie das Wolkendeck sehen", sagte Cowan. "Das Wolkendeck befindet sich in großer Höhe und es ist dort oben extrem kalt."
Wenn das James Webb-Teleskop dieses Signal von einem Exoplaneten erkennt, merkt Abbot an, dass es sich mit ziemlicher Sicherheit um Wolken handelt und dass Sie an der Oberfläche flüssiges Wasser haben.
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