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Flüssiges Wasser gehört zu den wichtigsten Bedingungen für die Entstehung von Leben, wie wir es auf der Erde kennen. Forschende des ORIGINS Clusters aus den Bereichen Astrophysik, Astrochemie und Biochemie haben nun erstmals in einer neuartigen, interdisziplinären Zusammenarbeit die notwendigen Eigenschaften von Monden um freifliegende Planeten ermittelt, um flüssiges Wasser ausreichend lange zu speichern und somit Leben zu ermöglichen.
Für die Entstehung von Leben auf der Erde ist flüssiges Wasser eine entscheidende Komponente. Obwohl bisher erst ein Planet bekannt ist, auf dem Leben entstand, nimmt die Wissenschaftswelt an, dass auch anderswo das Vorkommen von Flüssigwasser eine zentrale Rolle in der chemischen Entwicklung spielt, die zur Entwicklung von Leben führen kann. In und außerhalb unseres Sonnensystems definiert die habitable Zone einen ringförmigen Bereich um das Zentralgestirn, in welchem es auf Planeten weder zu heiß noch zu kalt für flüssiges Wasser ist. Auch Monde können habitabel sein – sogar, wenn sie zu Planeten jenseits der habitablen Zone gehören. Dazu müssen sie anstelle der Sternwärme allerdings eine andere Heizquelle aufweisen, beispielsweise wechselnde Gezeitenkräfte. So verbirgt sich dank Gezeitenheizung unter der Eiskruste des Saturnmondes Enceladus ein Ozean aus flüssigem Wasser.
Monde um freifliegende Planeten können habitabel sein
Die Entdeckung dutzender freifliegender Planeten (FFPs) in unserer Galaxis hat das Verständnis der frühen Evolution von Planetensystemen und die Theorien zur Planetenentstehung verändert. Diese einsamen Wanderer wurden vermutlich durch dynamische Instabilitäten aus ihren Planetensystemen ausgestoßen und haben somit keinen Mutterstern mehr. Sie können jedoch, wenn sie Monde auf engen Umlaufbahnen haben, diese durch ihre Schwerkraft an sich binden. Am besten funktioniert das bei jupiterähnlichen Planeten mit erdgroßen Monden. So entstehen neue, unerwartete Orte, wo sich Leben bilden könnte.
In einer früheren Studie zu flüssigem Wasser auf Monden sternloser Planeten demonstrierten Forschende des ORIGINS Clusters, dass erdgroße Monde um jupiterähnliche Planeten tatsächlich flüssiges Wasser aufweisen könnten. Die Ergebnisse legten nahe, dass die auf Mondoberflächen möglichen Wassermengen nur einen Bruchteil des Gesamtvolumens aller irdischen Ozeane beträgt, was aber immer noch ein Hundertfaches des Wassergehalts der Erdatmosphäre ist. Diese Menge reicht bereits um chemische Prozesse anzukurbeln, die zu Leben führen können. Lokale Nass-Trocken-Kreisläufe (verdunsten und kondensieren) bieten, wie kürzlich von ORIGINS Wissenschaftlern in einer Studie zu den ersten Schritten der Evolution gezeigt wurde, die notwendige chemische Komplexität, die eine Ansammlung von Molekülen und die Polymerisation von RNA fördern könnten.
Astrophysik trifft Biochemie
Die Umlaufbahn von Exomonden um FFPs wird mit der Zeit weniger exzentrisch und mehr kreisförmig. Dadurch verringern sich die Gezeitenkräfte und folglich auch die Heizeffizienz. In einer einzigartigen Zusammenarbeit baute nun die Doktorandin Giulia Roccetti (ESO, davor Masterstudentin an der LMU) unter Anleitung von den ORIGINS Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, Prof. Barbara Ercolano (LMU, Astrophysik), Dr. Karan Molaverdikhani (LMU), Dr. Tommaso Grassi (MPE, Astrochemie) und Prof. Dieter Braun (LMU, Biochemie) ein neues, realistisches Modell, das die Entwicklung von Mondbahnen über lange Zeiten berechnen kann. Dabei handelt es sich um Zeitskalen von einigen Milliarden Jahren, wie sie für die Entwicklung des Lebens notwendig sind.
„Auf diese Weise fanden wir heraus, dass Exomonde mit kleinen Bahnradien nicht nur die größten Chancen haben, den Rauswurf ihres Planeten aus seinem Planetensystem zu überleben, sondern auch über den längsten Zeitraum exzentrisch bleiben“, erklärt Giulia Roccetti. Zudem begünstigen dichte Atmosphären flüssiges Wasser zu erhalten. Somit sind insbesondere erdgroße Monde mit venusähnlichen Atmosphären, die kleine Abstände zu ihrem Planeten haben, Kandidaten für habitable Welten.
Giulia Roccetti
ESO
E-Mail: Giulia.Roccetti(at)eso.org
Prof. Dr. Barbara Ercolano
Ludwig-Maximilians-Universität München / Exzellenzcluster ORIGINS
E-Mail: ercolano(at)usm.lmu.de
Dr. Tommaso Grassi
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik / Exzellenzcluster ORIGINS
E-Mail: tgrassi(at)mpe.mpg.de
Prof. Dr. Dieter Braun
Ludwig-Maximilians-Universität München / Excellenzcluster ORIGINS
E-Mail: Dieter.Braun(at)physik.uni-muenchen.de
Roccetti, Grassi, Ercolano, Molaverdikhani, Crida, Braun, Chiavassa (2023), “Presence of liquid water during the evolution of exomoons orbiting ejected free-floating planets”, International Journal of Astrobiology
https://arxiv.org/abs/2302.04946
doi:10.1017/S1473550423000046
Künstlerische Ansicht eines Exomondes mit flüssigem Wasser.
T. Grassi/Midjourney
Die Grafik wurde von den Autoren mit der K.I. Software Midjourney erzeugt.
Criteria of this press release:
Journalists
Biology, Chemistry, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
Künstlerische Ansicht eines Exomondes mit flüssigem Wasser.
T. Grassi/Midjourney
Die Grafik wurde von den Autoren mit der K.I. Software Midjourney erzeugt.
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