Mögliche atmosphärische Zerstörung eines potenziell bewohnbaren Exoplaneten

21. Februar 2024

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von David Appell, Phys.org

Astrophysiker, die einen beliebten Exoplaneten in der habitablen Zone seines Sterns untersuchen, haben festgestellt, dass elektrische Ströme in der oberen Atmosphäre des Planeten ausreichen könnten, um die Atmosphäre ausreichend zu erwärmen, damit sie sich ausdehnt und den Planeten verlässt, was den Planeten wahrscheinlich unbewohnbar macht.

Bislang haben Planetenwissenschaftler gedacht, dass ein bewohnbarer Planet ein starkes Magnetfeld benötigt, das ihn umgibt, um als Schutzschild zu dienen und ionisierte Partikel, Röntgenstrahlen und ultraviolette Strahlung im Sternenwind umzuleiten und von seiner Atmosphäre fernzuhalten.

Das passiert mit der Erde, verhindert, dass gefährliche Strahlung das Leben an der Oberfläche erreicht, und was auf dem Mars nicht der Fall ist, der jetzt kein globales Magnetfeld mehr hat, was bedeutet, dass mögliche ursprüngliche Bewohner des roten Planeten wahrscheinlich in unterirdischen Höhlen und Hohlräumen leben müssen, um sich vor dem Sonnenwind zu schützen.

Die neue Forschung von Ofer Cohen vom Lowell Center for Space Science and Technology an der University of Massachusetts Lowell und Kollegen, die in The Astrophysical Journal veröffentlicht wurde, untersuchte, ob elektrische Ströme in der Ionosphäre des Exoplaneten Trappist-1e ausreichen würden, um genügend zu erwärmen und die Atmosphäre auszudehnen, sodass sie möglicherweise von der Schwerkraft des Planeten abweichen und im Weltraum verloren gehen würde.

TRAPPIST-1e ist ein kühler M-Zwergstern im Sternbild Wassermann, etwa 41 Lichtjahre von der Erde entfernt. Sein Planetensystem, das sieben beobachtete Exoplaneten umfasst, ist das am intensivsten untersuchte System außerhalb unseres eigenen Sonnensystems.

Drei dieser Planeten befinden sich in der habitablen Zone des Sterns, mit Oberflächentemperaturen, bei denen flüssiges Wasser existieren könnte. Da M-Zwerge, die etwa 70 % der Sterne im Universum ausmachen, kühler sind als unsere Sonne, liegen diese Zonen viel näher an diesen Sternen.

Trappist-1e, ein 2017 entdeckter Exoplanet, umkreist seinen Stern in nur 0,028 AE (wobei 1 AE der durchschnittliche Abstand von der Sonne zur Erde ist; Merkur umkreist sie in etwa 0,4 AE). Felsig und erdähnlich, beträgt seine durchschnittliche Dichte nur 2 % mehr als die der Erde, und seine Oberflächengravitation 82 %. Darüber hinaus hat er eine Gleichgewichtstemperatur von 246 Kelvin, nur 9 K unter der der Erde.

Diese Eigenschaften machen Trappist-1e zu einem der interessantesten aller bisher entdeckten Exoplaneten. Aber hat er eine Atmosphäre? Da er sich viel näher an seinem Stern befindet, sollte atmosphärisches Abtragen durch Sternwinde viel stärker sein als beispielsweise bei Merkur, der keine Atmosphäre hat.

Frühere Arbeiten zeigten, dass Sternwinde von Trappist-1 potenziell eine wasserstoffreiche Atmosphäre von seinen Exoplaneten durch Fotoevaporation abtragen könnten, aber aufgrund der Modellkomplexität könnten diese Planeten eine Vielzahl von atmosphärischen Umgebungen haben.

Aber ein weiterer möglicher Abtragemechanismus tritt auf, wenn externe, geladene Sternwinde auf die ionisierte obere Atmosphäre treffen. In früheren Arbeiten fanden Cohen und andere heraus, dass, wenn die Leitfähigkeit und Impedanz jeweils in der gleichen Größenordnung liegen, die drei Trappist-Exoplaneten e, f und g eine Gleichstrom-Widerstandsheizung von bis zu 1 Watt pro Quadratmeter erfahren könnten, 1 % der einfallenden solaren Strahlung und 5 bis 15 Mal die Sternenergie von extrem-ultravioletter Strahlung. Eine solche 'Joule-Heizung' könnte potenziell die Atmosphäre von einem dieser Planeten abtragen. (Auf der Erde beträgt die Joule-Heizung etwa 0,01 W/m2.)

Jetzt haben Cohen und Kollegen ein zweites Phänomen modelliert, das ebenfalls die Trappist-1-Planetenatmosphären beeinflussen könnte: Heizung aufgrund der Bewegung des Planeten selbst. Wechselstrom (Wechselstrom) wird in der oberen Atmosphäre des Planeten erzeugt, wenn er ein sich änderndes magnetisches Feld des Sterns trifft, während der Planet um seinen Stern kreist (Faradays Induktionsgesetz).

Naheliegende Planeten umkreisen sehr schnell - die Umlaufzeit von Trappist-1e beträgt nur 6,1 Erdtage - und der schnelle Wechsel des Hintergrundmagnetfelds führt zur Erzeugung starker ionosphärischer Ströme, die sich dissipieren und potenziell sehr stark heizen, was sie als spannungsgesteuerte Joule-Heizung bezeichnen.

Because astronomers do not have measurements of Trappist-1's stellar wind and magnetic field, the group used validated physics-based models to calculate its energy output, its solar wind and the changing magnetic field at the Trappist-1e distance. Using reasonable estimates for the width of Trappist 1e's ionosphere, its conductance and the magnitude of the changing magnetic field, their results show that the Joule heating energy flux in the upper atmosphere of the planet would vary from 0.01 to 100 W/m2, a significant amount of heating that may be greater than that due to extreme-ultraviolet and 1 to 10% of the stellar energy flux at the planet.

They conclude that such intense values could cause a strong atmospheric escape and 'could lead to a rapid loss of the atmosphere.' It means astrobiologists and others should take Joule heating into account when considering an exoplanet's habitability.

'It is likely that both mechanisms operate together in close-in exoplanets,' said Cohen. 'Therefore, our work (and our solar system knowledge) may suggest that exoplanets located very close to the star are likely bare planets with no atmosphere.'

Cohen notes that their work has a political element, as many teams are investigating the atmospheres of Trappist-1 planets. The James Webb Space Telescope (JWST) has already started to observe this system's planetary atmospheres (finding none), and there are plans to do more. 'This may be a bit of a waste of resources if there is no atmosphere to study,' said Cohen.

Journal information: Astrophysical Journal

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