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Friday, April 10, 2020

Das TRAPPIST-1-System in Übersicht

Nach der sensationellen Entdeckung der NASA hat sich die Aufregung nun etwas gelegt, daher möchte ich das TRAPPIST-1-System mit allen nun bekannten Planeten einmal zusammenfassen.

TRAPPIST-1: Miniaturstern mit Miniatursystem

TRAPPIST-1 ist ein circa 39,5 Lichtjahre entfernter ultrakühler Roter Zwergstern. Er gehört zu den kleinsten überhaupt möglichen Sternen und ist nur etwas größer als der Planet Jupiter. Doch gerade das machte ihn schon immer interessant für Planeten, denn diese beeinflussen einen kleinen Stern natürlich wesentlich stärker. Sein Planetensystem ist genauso eine Miniatur-Version wie der Stern, es weist Ähnlichkeiten zum Jupiter und seinen Monden auf. Zudem ist TRAPPIST-1 ein mögliches Ziel des Genesis-Projekts, über das ich hier geschrieben habe.

TRAPPIST-1

Entfernung zur Sonne: circa 39 Lichtjahre

Spektralklasse: M

Masse: 0,08 Sonnenmassen

Radius: 0,121 Sonnenradien

Bekannte Planeten: 7

Alter: circa 7,6 Milliarden Jahre

TRAPPIST-1b: Super-Venus statt Supererde

TRAPPIST 1b ist der innerste der sieben Planeten, er umkreist den Stern einmal in nur 1,51 Tagen. Der Radius ist mit 1,09 Erdradien größer als der Erdradius, die Masse mit 0,85 Erdmassen jedoch kleiner.

Anfangs ging man davon aus, dass es in der Atmosphäre kaum Wolken und vor allem Wasserstoff gibt, nun wissen wir dank Untersuchungen mit dem Spitzer-Weltraumteleskop allerdings, dass er eine dicke Kohlendioxidatmosphäre hat und somit der Venus ähnelt, die Atmosphäre ist aber noch dicker.

Die Temperatur ohne eine Atmosphäre betrüge 127°C, doch die Atmosphäre, die bis zu fünf Prozent der Planetenmasse ausmacht, dürfte die Temperatur stark erhöhen, im Extremfall auf bis zu 1.750°C, viele Metalle schmelzen dort bereits. Die Atmosphäre ist nicht nur dicht, sondern auch groß und dürfte weit bis ins All reichen.

Aufgrund der Nähe zum Stern hat sich die Rotationsperiode des Planeten um sich selbst mit der Rotationsperiode um den Stern angeglichen, ein Tag dauert also genauso lang wie ein Jahr, man spricht von einer gebundenen Rotation wie bei Mond und Erde. Und wie der Mond uns immer dieselbe Seite zeigt, so zeigt TRAPPIST-1b seinem Stern immer dieselbe Seite. Das könnte zu Temperaturunterschieden führen, die dicke Atmosphäre könnte die Temperatur durch Winde allerdings auch verteilen. Das können nur weitere Untersuchungen mit Weltraumteleskopen zeigen.

Leben, wie wir es kennen, kann es auf TRAPPIST-1b natürlich nicht geben, auch wenn in den hohen Schichten der Atmosphäre schwebende Lebewesen auch auf der Venus für möglich gehalten werden, denn dort sind die Temperaturen tatsächlich recht erdähnlich. Und wer weiß, welche Wege Leben woanders findet?

TRAPPIST-1b

Gleichgewichtstemperatur: 127C°

Habitable Zone: Nein

Masse: 0,85 Erdmassen

Radius: 1,09 Erdradien

Rotation: 1,5 Erdtage bei gebundener Rotation

Distanz zum Stern: 0,01 AE

TRAPPIST-1c: Eis und Feuer

TRAPPIST-1c ist ebenfalls ein Gesteinsplanet, er ist mit 1,06 Erdradien und 1,38 Erdmassen etwas größer und massereicher als die Erde. Er befindet sich nur knapp innerhalb der habitablen Zone, ohne eine Atmosphäre läge die Temperatur bei 61,7°C. Doch auch bei TRAPPIST-1c deuten Untersuchungen auf eine dicke Venus-ähnliche Atmosphäre hin, allerdings dünner als bei TRAPPIST-1b. Daher liegt die Temperatur wahrscheinlich oberhalb des Siedepunkts von Wasser.

Allerdings liegt auch hier eine gebundene Rotation vor, auf der Nachtseite des Planeten könnten die Bedingungen angenehmer sein und es könnte sogar Ozeane geben. Das wäre ein Leben in ewiger Dunkelheit, denn dort scheint TRAPPIST-1 niemals.

TRAPPIST-1c

Gleichgewichtstemperatur: 61,7°C

Habitable Zone: Ja

Masse: 1,38 Erdmassen

Radius: 1,06 Erdradien

Rotation: 2,42 Erdtage bei gebundener Rotation

Distanz zum Stern: 0,015 AE

Sternbild: Wassermann

TRAPPIST-1d: Knapp daneben ist auch vorbei

TRAPPIST-1d ist der dritte und kleinste Planet des TRAPPIST-1-Systems und hat nur 0,41 Erdmassen und 0,77 Erdradien. Er umkreist seinen Stern am inneren Rand der habitablen Zone, doch ob er bewohnbar ist, das hängt entscheidend von der Zusammensetzung ab. Ist die Oberfläche ähnlich beschaffen wie die Erdoberfläche, liegt die Gleichgewichtstemperatur bei -15°C, das ist den -18°C auf der Erde recht ähnlich. Ist die Oberfläche deutlich dunkler, liegt sie jedoch bei 9°C und das wäre je nach Atmosphäre zu warm für flüssiges Wasser.

Man geht mittlerweile davon aus, dass ein galoppierender Treibhauseffekt ähnlich wie auf der Venus eine dicke Wasserdampfatmosphäre entstehen lassen und den Planeten unbewohnbar gemacht hat. TRAPPIST-1 erscheint am Himmel von TRAPPIST-1d dreimal größer als die Sonne am irdischen Himmel, dennoch empfängt der Planet nur ein Prozent des sichtbaren Lichtes, das die Erde empfängt. Selbst auf der Tagseite des Planeten wird es also nie heller als kurz vor der Dämmerung auf der Erde.

TRAPPIST-1d befindet sich zwar innerhalb der habitablen Zone, aber in einem Bereich, in dem flüssiges Wasser nur durch die richtigen Bedingungen möglich ist. Derzeit sieht es aber eher danach aus, dass TRAPPIST-1d ein heißer Wüstenplanet ist, auf dem es höchstens geringe Mengen flüssigen Wassers aus früheren Zeiten gibt, vor allem auf der Tagseite oder in unterirdischen Reservoiren.

TRAPPIST-1d

Gleichgewichtstemperatur: -15°C bei erdähnlicher Beschaffenheit

Habitable Zone: Ja

Masse: 0,41 Erdmassen

Radius: 0,77 Erdradien

Rotation: 4,05 Erdtage bei gebundener Rotation

Distanz zum Stern: 0,021 AE

TRAPPIST-1e: Die Reiseempfehlung der NASA

TRAPPIST-1e ist ein erdähnlicher Gesteinsplanet innerhalb der habitablen Zone. Radius, Dichte und Masse sind recht ähnlich wie auf der Erde und man vermutet auch eine Atmosphäre mit ähnlicher Dichte wie die Erdatmosphäre. Daher gilt er im TRAPPIST-1-System als vielversprechendster Ort für die Suche nach außerirdischem Leben.

Die NASA hat sogar schon ein Poster mit einer humoristischen Reiseempfehlung herausgegeben:

“Planet hop from TRAPPIST-1e – Voted best ‘hab zone’ vacation within 12 parsecs of Earth”

Von der Entfernung her könnte TRAPPIST-1e tatsächlich ein Paradies sein, doch auch er ist in einer gebundenen Rotation. Es benötigt daher eine dichte Atmosphäre, um die Temperaturen zu verteilen. An der Tag-Nacht-Grenze, wo wärmere und kältere Luft aufeinander treffen, gibt es sicherlich riesige Stürme. Neueste Untersuchungen geben jedoch Anlass zu Optimismus, die Bedingungen auf der Oberfläche von TRAPPIST-1e sind vermutlich lebensfreundlich. Daher wird TRAPPIST-1e eines der ersten Beobachtungsziele des neuen James Webb Space Telescopes sein, das nach Spuren biologischer Aktivitäten in der Atmosphäre suchen soll.

Die Dichte könnte zudem darauf hindeuten, dass zum einen ein massereicher Eisenkern fehlt und zum anderen sehr tiefe Ozeane existieren.

TRAPPIST-1e

Gleichgewichtstemperatur: -48°C bei erdähnlicher Beschaffenheit

Habitable Zone: Ja

Masse: 0,62 Erdmassen

Radius: 0,92 Erdradien

Rotation: 6,10 Erdtage bei gebundener Rotation

Distanz zum Stern: 0,028 AE

TRAPPIST-1f: Die Wasserwelt

TRAPPIST-1f ist ebenfalls ein Gesteinsplanet innerhalb der habitablen Zone, jedoch in ihren äußeren Regionen. Sein Radius beträgt 1,045 Erdradien, seine Masse allerdings nur 0,68 Erdmassen, für einen Gesteinsplaneten ist dies eine sehr geringe Dichte.

Daher vermutet man, dass TRAPPIST-1f der Klasse der sogenannten Ozeanplaneten angehört. Das bedeutet, TRAPPIST-1f ist von einem einzigen globalen Ozean umgeben, der viele hundert Kilometer tief ist und somit einen merklichen Bruchteil des Planetenradius ausmacht. Nur auf der dem Stern abgewandten Seite könnte das Wasser gefroren sein. Diesen Ozean darf man jedoch nicht mit den irdischen Meeren vergleichen.

Am Boden mehrerer hundert Kilometer tiefer Ozeane nimmt das Wasser unter dem enormen Druck exotische Formen an, es wird zu sogenanntem amorphen Eis, das nur durch den Druck fest gehalten wird und theoretisch auch sehr heiß sein könnte. Auf wärmeren Ozeanplaneten könnte die Trennlinie zwischen Wasserozean und Wasserdampfatmosphäre verwischen und der gasförmige Zustand könnte fließend (Vorsicht, Wortspiel!) in den flüssigen übergehen.

Theoretisch könnte es dort natürlich auch Leben geben, doch paradoxerweise sind reine Ozeanplaneten viel weniger lebensfreundlich als gedacht. Amorphes Eis könnte sich nämlich am Meeresboden ablagern, dadurch blockiert es dann (genau wie wir aktuell) den sogenannten Karbonat-Silikat-Zyklus, der das Klima stabilisiert. Auf der Erde nehmen Sedimente Kohlendioxid auf und schwemmen es in die Gewässer, wo es von Meerestieren abgebaut wird. Dieser Puffer ist temperaturunabhängig und garantiert so eine Stabilität des Klimas auch bei kleinen Temperaturänderungen.

Auf Ozeanplaneten unterbindet amorphes Eis jedoch den Kontakt zwischen dem Wasser und dem Meeresgrund. Somit fällt der stabilisierende Puffer der Sedimente weg, nur das Wasser kann das Kohlendioxid aufnehmen. Die Aufnahmekapazität von Wasser ist jedoch abhängig von der Temperatur, nimmt die Strahlung des Sterns also etwas zu, erwärmen sich sowohl Atmosphäre als auch die Ozeane, nun können die Ozeane aber durch die höhere Temperatur viel weniger Kohlendioxid binden. Das führt dazu, dass es noch wärmer wird, womit die Ozeane noch weniger Kohlendioxid aufnehmen können, wodurch es noch wärmer wird, etc.

Somit kann ein galoppierender Kaskadeneffekt in Gang gesetzt werden, der den Planeten in wenigen Jahrhunderten oder Jahrtausenden entweder komplett gefrieren oder die Ozeane sieden lässt. Ob TRAPPIST-1f diesen Instabilitäten widerstehen konnte, können nur direkte Beobachtungen mit dem James Webb Telescope zeigen.

TRAPPIST-1f

Gleichgewichtstemperatur: -15°C bei erdähnlicher Beschaffenheit

Habitable Zone: Ja

Masse: 0,68 Erdmassen

Radius: 1,04 Erdradien

Rotation: 9,21 Erdtage bei gebundener Rotation

Distanz zum Stern: 0,037 AE

TRAPPIST-1g: Eine coole Sache

TRAPPIST-1g ist ein großer Gesteinsplanet am äußeren Rand der habitablen Zone. Seine Dichte ist so gering, dass man dennoch einen dicken Eispanzer um den Planeten vermutet. Auch möglich ist jedoch eine dichte Atmosphäre, die auf dem Planeten milde Temperaturen garantiert und ein globaler Ozean ähnlich wie auf TRAPPIST-1f. Auch hier könnte allerdings höchstens auf der dem Stern zugewandten Seite flüssiges Wasser existieren, die Nachtseite ist recht sicher vereist.

Welches Modell der Oberflächenbeschaffenheit zutrifft, wissen wir jedoch noch nicht. Da TRAPPIST-1f jedoch nur 25% der Wärme erhält, welche die Erde von der Sonne erhält, ist das Klima vermutlich deutlich kühler als auf der Erde. Klar ist jedoch, dass große Mengen Wasser auf TRAPPIST-1g existieren. Das Hubble-Weltraumteleskop hat dort zum ersten Mal im TRAPPIST-1-System direkt Wasser gefunden.

TRAPPIST-1g

Gleichgewichtstemperatur: -79°C

Habitable Zone: Ja

Masse: 1,34 Erdmassen

Radius: 1,13 Erdradien

Rotation: 12,35 Erdtage bei gebundener Rotation

Distanz zum Stern: 0,045 AE

TRAPPIST-1h: Der Außenseiter

Über TRAPPIST-1h ist noch recht wenig bekannt, er kreist jedoch in verhältnismäßig großer Entfernung um seinen Stern, außerhalb der habitablen Zone. Die Temperaturen sind vergleichbar mit denen am Südpol der Erde, die Gleichgewichtstemperatur liegt bei -104°C. Dennoch ist die Existenz von flüssigem Wasser auf TRAPPIST-1h nicht ausgeschlossen, eine dicke Atmosphäre könnte kleine Mengen an Wasser auf der Oberfläche dauerhaft erhalten.

Andernfalls ist durch radioaktiven Zerfall im Innern des Planeten und Gezeitenkräfte durch den elliptischen Orbit auch die Existenz subglazialer Ozeane möglich, ihr Wasser könnte durch Geysire an die Oberfläche kommen, ähnlich wie auf dem Saturnmond Enceladus.

TRAPPIST-1h

Gleichgewichtstemperatur: -104°C

Habitable Zone: Nein

Masse: 0,33 Erdmassen

Radius: 0,77 Erdradien

Rotation: 18,77 Erdtage bei gebundener Rotation

Distanz zum Stern: 0,045 AE

Ob es noch weitere Planeten um TRAPPIST-1 gibt, wissen wir derzeit noch nicht.

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