Rückfall Donnerstag: Ist der Zwilling der Erde da draußen?

Bevor Sie den nächsten Exoplaneten als “den erdähnlichsten aller Zeiten” anpreisen, fragen Sie, ob dies wahr ist und ob dies überhaupt eine gute Sache ist.

“Sie können zu viel Zeit damit verbringen, sich zu fragen, welcher der identischen Zwillinge dem ähnlicher ist.” – Robert Brault

Heute Morgen wurden Wellen geschlagen, als die NASA-Kepler-Mission die Existenz und die Eigenschaften eines neuen Exoplaneten bekannt gab: Kepler-452b. Dieser Planet wurde von vielen aus einer Vielzahl interessanter Gründe als der „bisher erdähnlichste Planet“ angepriesen.

Es gibt auch ein paar kleine Unterschiede:

Wenn Sie sich unser eigenes Sonnensystem ansehen, scheint dieser letzte Punkt keine große Sache zu sein.

Der Unterschied zwischen Erde und Venus ist winzig: weniger als 10% in Bezug auf den Radius. Aber um noch verstärkt zu werden, der Unterschied zwischen Erde und Uranus / Neptun ist riesig : Diese Welten sind etwa viermal so groß wie der Radius der Erde!

60% größer scheinen also nicht viel zu sein. Aber diese Welt befindet sich immer noch zwischen der größten felsigen, erdähnlichen Welt und der kleinsten gasförmigen, riesenähnlichen Welt. Wenn wir wissen wollen, ob dies wirklich eine große Sache ist – wenn wir wissen wollen, ob diese Welt wirklich erdähnlich ist oder nicht – sollten wir zuerst untersuchen, was es bedeutet, „Zwilling der Erde“ zu sein. und zu fragen, ob ein solches Objekt überhaupt in unserer Galaxie sein sollte.

Die neuesten Ergebnisse von Kepler zeigen, dass sich auf der Scheibe der Milchstraße mindestens 17 Milliarden erdgroße Planeten befinden: etwa einige Prozent der Sterne mit mindestens einer Erde -große Welt. Aber es braucht viel mehr als nur Erdgröße, um einen echten Zwilling der Erde zu machen! Ja, wir haben in den letzten Jahren einige erstaunliche Schritte nach vorne gemacht, aber lassen Sie uns das ultimative Ziel hier nicht aus den Augen verlieren: einen anderen Planeten zu finden, der eine Art fortgeschrittenes Leben beherbergt.

Deshalb suchen wir da draußen nach dem “Zwilling” der Erde: weil wir eine Welt finden wollen, die eine Biologie wie unsere eigene hat. Weil wir wissen wollen, wonach wir in unseren Herzen gesucht haben, seit wir zum ersten Mal genau erkannt haben, was wir sind: zu wissen, dass wir nicht allein sind .

Wissenschaftlich bedeutet dies, ein chemisches Leben zu finden, das dem entspricht, was wir auf der Erde wissen. Selbst wenn es dem Leben auf der Erde wie vor 500 Millionen Jahren ähneln würde, wäre das unglaublich interessant! Es gibt viele andere Möglichkeiten für das Leben als die chemisch basierte, die wir hier auf der Erde entwickelt und gewohnt sind, und tatsächlich kann dieser Typ tatsächlich häufiger sein im Universum als das Leben, das wir kennen.

Aber selbst wenn Sie all das beiseite lassen, ist es möglicherweise nicht die beste Wahl, ein anderes „Erdreich“ zu finden – einen Planeten wie unseren um einen Stern wie unseren -, um ein Leben wie das unsere zu finden.

Unsere Sonne ist ein 4,6 Milliarden Jahre alter Stern der G-Klasse. Während Sie sich das obige Diagramm ansehen und denken, dass dies uns zu einem „normalen“ Stern macht, ist die Tatsache, dass unser Stern massereicher ist als 95% aller Sterne da draußen! M-Zwerge, die kleinen Roten am Ende, sind bei weitem der häufigste Sterntyp im Universum. Drei von vier Sternen sind M-Sterne. Darüber hinaus werden unsere Ozeane nach etwa einer weiteren Milliarde Jahren kochen, aber M-Sterne brennen bei einer stabilen Temperatur für bis zu zehn Billionen Jahre!

Kepler hat viele erdähnliche Planeten um diese M-Sterne gefunden, um an den richtigen Stellen für flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche zu sein und die richtige Masse und Größe zu haben, um „erdähnlicher“ zu sein. als alles andere. Während M-Sterne möglicherweise häufiger Fackeln ausgesetzt sind und ihre Planeten näher an ihren bewohnbaren Zonen liegen müssen (wodurch Gezeitenverriegelungen größer und Fackeln gefährlicher werden), bieten sie ihren Planeten auch stabilere Umgebungen mit weniger UV-Strahlung und mit mehr Schutz vor der zufälligen Gewalt des interplantären / interstellaren Raums.

Aber das ist ein Exkurs, der uns weit vom Kurs abbringen könnte. Wenn wir nach dem Zwilling der Erde suchen oder nach einem Planeten, der unserem sehr ähnlich ist, um einen Stern herum, der unserem sehr ähnlich ist, lassen Sie uns darüber nachdenken, was wir brauchen werden. Und lassen Sie uns während dieser Überlegungen abschätzen, wie viele Erdzwillinge dort sein sollten.

Zuerst brauchen wir einen Stern wie die Sonne. Das bedeutet, dass ein Stern sowohl die gleiche Temperatur als auch die gleiche Spektralklasse hat, aber auch ungefähr das gleiche Alter hat.

Es braucht Zeit, bis sich das Leben zu etwas Interessantem entwickelt, und das bedeutet, dass wir ein Sternensystem brauchen, das mindestens viele Milliarden Jahre alt ist. Wir können aber auch nicht zu lange warten, denn mit zunehmendem Alter der Sterne wächst der Bereich des Kerns, der Wasserstoff zu Helium verschmilzt, was bedeutet, dass die Leistung (und Helligkeit und damit die Temperatur) zunimmt . Schließlich werden die Planeten (wie die Erde), die einst bewohnbar waren, zu heiß, kochen das Oberflächenwasser dauerhaft und beenden das Leben, wie wir es kennen.

Nehmen wir also an, wir haben ein 1–2-Milliarden-Jahres-Fenster oder ungefähr 10% des Lebens des Sterns. In unserer Galaxie gibt es etwa 200 bis 400 Milliarden Sterne, und etwa 7,6% davon sind Sterne der G-Klasse oder der gleiche Typ wie unsere Sonne. Obwohl unsere Sonne genauer als G2V-Stern klassifiziert ist, bedeutet dies immer noch, dass etwa 10% aller Sterne der G-Klasse vom gleichen Typ wie unsere Sonne sind.

Schätzungen zufolge sollte es 400 Milliarden Sterne geben, von denen 7,6% der G-Klasse angehören, etwa 10% der gleichen Unterklasse wie unsere Sonne und etwa 10% davon sind das richtige Alter, um ein interessantes Leben zu führen, oder etwa 300 Millionen Kandidatenstars.

Nun, vielleicht . Sie sehen, wir brauchen etwas mehr als das.

Dies ist das Spektrum der Sonne. Mit anderen Worten, diese Linien, die Sie sehen, sind repräsentativ für alle verschiedenen Atome – und ihre Verhältnisse -, die aus dem Periodensystem der Elemente stammen. Sie sind in unserer Sonne reichlich vorhanden und kommen in sehr spezifischen Verhältnissen vor.

Die Menge von allem, was nicht Wasserstoff oder Helium für das gesamte schmelzbare Material in der Sonne ist, wird von Astronomen als Metallizität bezeichnet. Wenn wir eine erdähnliche Welt wollen, brauchen wir einen Stern mit einer sonnenähnlichen Metallizität.

Das ist nicht so schlimm. 25% der Sterne, die ungefähr zur gleichen Zeit wie unsere Sonne gebildet wurden, waren Sterne der Zwischenpopulation I (wie wir), und sehr viele von ihnen (vielleicht etwa 15% davon) haben die gleiche Metallizität wie unsere Sonne , unten in grün dargestellt.

Das bedeutet, dass es in unserer Galaxie etwa 11 Millionen Sterne gibt, die dieselbe Art von Heimatstern haben wie wir, mit der gleichen Fülle schwerer Elemente, die sich zum richtigen Zeitpunkt gebildet haben, den sie haben könnten komplexes Leben auf ihren Welten genauso wie die Erde. (Und dies berücksichtigt nicht einmal, dass viele der Welten mit mehr oder weniger Metallen mit größerer Wahrscheinlichkeit als die Erde Leben haben könnten. Wie ich bereits sagte, nur weil es geschah unter unseren Bedingungen bedeutet nicht, dass unsere Bedingungen für ein komplexes Leben am günstigsten sind!)

Wie viele dieser 11 Millionen Sonnenzwillinge haben Erdzwillinge in ihren bewohnbaren Zonen?

Nun …

Wir müssen einen felsigen Planeten der richtigen Größe mit der richtigen Elementhäufigkeit, der richtigen Wassermenge und am richtigen Ort bilden, um als Zwilling der Erde betrachtet zu werden.

Diese Probleme hängen alle miteinander zusammen. Sie würden denken, wenn der Zentralstern die richtigen Elementhäufigkeiten hat, sollten die von ihm gebildeten Planeten dieselbe Dichte-Radius-Beziehung haben wie unser Sonnensystem.

Und hier liegt das Problem. Wir haben keine Welten im inneren Sonnensystem, die größer als die Erde sind, und das liegt an den Einzelheiten der Entstehung unseres Sonnensystems. Der neue, begehrte “Zwilling”, den wir anpreisen? Es hat 160% des Erdradius… aber das Fünffache der Erdmasse .

Ist es steinig? Sicher … aber es hat wahrscheinlich eine felsige Oberfläche unter einer Wasserstoff-Helium-Gashülle, was es im Gegensatz zur Erde fast definitiv hat. Zumindest ist dies höchstwahrscheinlich der Fall, basierend auf dem, was wir derzeit über Exoplaneten verstehen.

Wenn Sie einen Radius von mehr als 20% haben als die Erde, haben Sie sehr wahrscheinlich eine Hülle mit den leichtesten Gasen im Universum – Wasserstoff und Helium -, die von der Schwerkraft Ihres Planeten sogar festgehalten wird wenn Sie sich im inneren Sonnensystem befinden. Eines der Dinge, die wir von Kepler gelernt haben, ist, dass Gasriesen und Supererden in den inneren Teilen von Sternensystemen um andere Sterne herum häufig sind. Wir sind die Anomalie.

Dies bedeutet nicht, dass Kepler-452b keine felsige Oberfläche hat, keine kleinere Wasserstoff- und Heliumhülle, möglicherweise überhaupt keinen Umschlag haben, und selbst wenn einer vorhanden ist, kann dies flüssiges Wasser oder Leben auf seiner Oberfläche überhaupt nicht ausschließen.

Es ist aber auch möglich, dass dies einer neptunähnlichen Welt viel näher ist als einer erdähnlichen Welt. Es ist vielleicht nur 60% größer als wir, aber fünfmal so massiv , was bedeutet, dass es viel Schwerkraft hat, um einen Umschlag festzuhalten. Und obwohl noch viel ungewiss ist, ist es buchstäblich verrückt , dies als Zwilling der Erde zu betrachten.

Es gibt realistisch gesehen, wenn wir alle Schätzungen durchführen, wahrscheinlich zwischen vierzigtausend und vielleicht hunderttausend echte erdähnliche Planeten in erdähnlichen Umlaufbahnen um sonnenähnliche Sterne. Dies ist ein sonnenähnlicher Stern mit einer erdähnlichen Umlaufbahn, aber der Planet ist nicht erdähnlich. Es ist wie Super-Erde (oder Mini-Neptun).

Wenn das eigentliche Ziel der Suche nach diesen Planeten darin besteht, Welten zu finden, die erdähnliches Leben beherbergen können, sollten wir uns besser die kleineren, erdgroßen Welten um Sterne der M-Klasse ansehen: in den bewohnbaren Zonen von ihre Sterne. Die beste Wahl dafür ist, nicht nach erdähnlichen Umlaufbahnen um sonnenähnliche Sterne zu suchen, sondern nach erdähnlichen Planeten in den richtigen Umlaufbahnen um ihre Sterne. So kommen wir dorthin.

Der Schlüssel zu all dem – und der Punkt, den Sie wegnehmen sollten – ist, dass das Finden eines „Zwillings“ der Erde nicht der heilige Gral ist, für den es angepriesen wird. Wenn wir das finden wollen, was wir uns am meisten wünschen, um eine Welt zu finden, die dieselben Geheimnisse wie wir hat, ist der Schlüssel nicht, nach einem identischen Zwilling zu suchen oder zumindest nicht einzuschränken uns auf die Suche nach eineiigen Zwillingen. Es geht vielmehr darum, nach der vollständigen Palette der richtigen Bedingungen zu suchen und zu erkennen, dass sie zwar bei identischen Zwillingen auftreten, dies jedoch nicht der häufigste Ort ist, um sie zu finden.

Unsere entfernten, zwergartigen Cousins ​​- diejenigen, die nichts mit der Erde zu tun haben – könnten am Ende die Schlüssel zu unseren am meisten gehüteten Träumen enthalten.

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