Spekulationen über Wasserwelten in habitablen Zonen

Von Paul Gilster; Original: Speculations on Habitable Zone Waterworlds, erschienen am 26. April 2017 auf Centauri Dreams („Imagining and Planning Interstellar Exploration“).

Übersetzt von Cernunnos

Was soll man von Fergus Simpsons neuem Artikel über Wasserwelten halten, der behauptet, daß die meisten Planeten in habitablen Zonen von diesem Typ sind? Falls solche Welten häufig sind, könnten wir herausfinden, daß die meisten Planeten in den habitablen Zonen ihrer Sterne zur Entwicklung von Leben fähig sind, aber mit geringer Wahrscheinlichkeit technologische Zivilisationen beherbergen. Eine Erklärung für das sogenannte „Fermi-Paradox“? Möglicherweise, aber es gibt alle möglichen Dinge, die erklären könnten, warum wir keine anderen Zivilisationen sehen, die meisten davon werden von Stephen Webb in seinem Buch If the Universe Is Teeming with Aliens … Where Is Everybody? (2. Ausgabe, Springer 2015) behandelt, das 75 Lösungen für das Problem anbietet.

Simpson (Universität von Barcelona) legt seine These auf den Seiten von Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dar und argumentiert, daß das Gleichgewicht, das von einer Planetenoberfläche mit großen Mengen von Land wie auch Wasser gehalten wird, empfindlich ist. Die Bayes’sche statistische Analyse des Autors deutet darauf hin, daß die meisten Planeten entweder von Wasser oder Land dominiert werden, am wahrscheinlichsten von Wasser. Die Erde könnte also eine Art Ausreißer sein, während die meisten Planeten zu über 90 Prozent von Wasser bedeckt werden.

Kontinente auf anderen bewohnbaren Welten könnten damit zu kämpfen haben, über das Meeresniveau zu kommen, wie der Großteil Europas in dieser Illustration, die die Erde mit einer geschätzten 80%igen Bedeckung durch Ozeane darstellt. Bild von Antartis / Depositphotos.com.

Die Unwahrscheinlichkeit, daß ein Planet ein Gleichgewicht wie das der Erde bewahrt, gibt dem Artikel seine Ausrichtung. Simpson gibt ein pädagogisches Beispiel für den Bayes’schen Ansatz:

…stellen Sie sich vor, sie betrachten die Arbeitsplatte einer Küche und bemerken ein paar verschüttete Kaffeekörnchen. Eines dieser Körnchen, ein beliebig ausgewähltes, liegt innerhalb von 0,1 mm vom Rand der 600 mm breiten Arbeitsplatte entfernt. Diese Nähe könnte natürlich völlig zufällig sein. Aber es ist viel wahrscheinlicher, daß der Großteil der Körnchen auf den Boden gefallen ist und daß das, was Sie sehen, bloß das Schwanzende der Verteilung ist.

Befindet sich der Planet Erde am Schwanzende der Verteilung? Wir haben nicht genug Daten über Exoplaneten, um das zu wissen. Aber das statistische Modell hier beachtet, was wir in unserer Erforschung des äußeren Sonnensystems gelernt haben. Denken Sie an Titan, wo Stanley Dermott und Carl Sagan 1995 vorhersagten, daß der Umstand, daß die Umlaufbahn des Mondes nicht durch ozeanische Gezeiteneffekte kreisförmig gemacht wurde, auf eine weitgehend trockene Oberfläche anstelle einer von einem ausgedehnten Ozean bedeckten Oberfläche hindeutete. Wir wissen jetzt, daß das Duo recht hatte: Titans flüssige Kohlenwasserstoffe machen etwa 1 Prozent der Gesamtoberfläche aus.

Simpson hält dies für eine bemerkenswerte Ansage, aber er fügt hinzu, daß die Vorhersage sogar ohne Kreisbahndaten von Titan hätte gemacht werden können. Lassen Sie mich ihn zitieren, da es seine Methode bekräftigt:

Auf rein statistischer Grundlage und in Abwesenheit von Korrelationen erwartet man, daß die Aufteilung der flüssigen und festen Oberflächen höchst asymmetrisch ist. Dies deshalb, weil das Volumen der Flüssigkeit nicht der Kapazität von Perturbationen im Festmaterial entsprechen muß. Die beiden Mengen unterscheiden sich oft um mehrere Größenordnungen. Falls es die Flüssigkeit ist, die vorherrscht, wird die feste Oberfläche völlig überflutet. Enceladus und Europa stellen exemplarische Fälle dieses Phänomens dar. Unter jeder ihrer Eiskrusten umhüllt ein einziger Ozean einen feste Kern vollständig (Kivelson et al. 2000; Waite et al. 2009). Falls andererseits das Volumen der Flüssigkeit subdominant ist, setzt sie sich in kleinen, von einander getrennten Regionen ab, wie es sich bei der Oberfläche von Titan herausstellte.

Um dies in einen Kontext zu bringen, müssen wir die Zufuhr von Wasser von eisigen Objekten betrachten, die jenseits der Schneelinie entstanden. Hier müssen wir eine riesige Vielfalt von Ergebnissen annehmen, Planeten in der habitablen Zone mit einer breiten Variation der Wassermenge, die auf ihre Oberfläche gelangt. Was geschieht im Laufe der Zeit? Etwas Wasser wird im Mantel zu finden sein, etwas durch die obere Atmosphäre verlorengehen. Die planetarische Topographie gestaltet die Verteilung der verbleibenden Ozeane.

Der Autor betrachtet weiters Rückkopplungsmechanismen einschließlich Erosion und Bodenablagerung wie auch den Tiefenwasserkreislauf, indem er das, was auf der Erde geschah, in den Kontext bringt. Quer durch die Galaxis sind Billionen von Würfeln gerollt, kommentiert Simpson, und was wir gern wissen würden, ist, ob die Würfel irgendwie ein Gleichgewicht zwischen Land und Wasser begünstigen. Er denkt, nein.

Hier kommt das anthropische Prinzip ins Spiel. Hat unsere Erde das besondere Gleichgewicht von Wasser und Land, das wir sehen, weil Planeten ohne dieses Gleichgewicht – Wüstenwelten oder Wasserwelten – intelligente landlebende Spezies mit viel geringerer Rate hervorbringen würden? In anderen Worten, falls wir nicht an einem Ort mit diesem fein abgestimmten Gleichgewicht leben würden, wären wir keine Beobachter, etwas, woran wir denken sollten, wenn wir über das Vorherrschen von Welten wie unsere eigene nachdenken. Wir können auch annehmen, daß Planeten mit größeren bewohnbaren Gebieten fähiger sind zur Erhaltung größerer Populationen. Diese Faktoren deuten für Simpson darauf hin, daß die Erde eine größere bewohnbare Fläche als die meisten lebenstragenden Welten hat.

Wir sehen einen Planeten, der nicht anders sein könnte, wenn es uns geben soll, und nehmen an, daß andere Welten in habitablen Zonen ähnlich sind. Unser Planet, argumentiert der Autor, befindet sich selbst nahe an der Grenze zur Wasserwelt, und der Masseanteil des Wassers bei habitablen Planeten könnte um ein ziemliches Maß höher sein. Aus dem Artikel:

…numerische Simulationen auf der Grundlage der Wasserzufuhr von Planetenembryos ergaben einen mittleren Wassermassenanteil von annähernd 1 Prozent (Raymond et al. 2007), das Zehnfache des terrestrischen Wertes. Extrem erhöhte Wasseranteile an der Zusammensetzung sind mit der Ausdehnung der Planetenradien in Verbindung gebracht worden (Thomas & Madhusudhan 2016). Dieses Szenario, in dem die Erde zu den trockensten habitablen Planeten zählt, könnte das Auftreten einer Niedrigmassentransition [?, d. Ü.] in der Masse-Radius-Relation von Exoplaneten zu erklären helfen (Rogers 2015, Chen und Kipping 2017).

Und falls sich herausstellt, daß die Erde für einen Planeten in der habitablen Zone ungewöhnlich trocken ist, könnten verschiedene Mechanismen das Ergebnis erklären. Es ist möglich, daß geringe Exzentrizitäten und Neigungen der Planetenbahnen in unserem Sonnensystem für eine weniger effektive Wasserzufuhr sorgen. Vielleicht wurde die Wasserzufuhr durch die Migration der Gasriesen beeinflußt (Simpson berücksichtigt das Modell der Großen Wende [„Grand Tack“ – tack = wenden im seglerischen Sinne], bei dem Jupiter seine Migration umkehrte, weist aber darauf hin, daß dies auch eine höhere Rate der Wasserzufuhr produzieren könnte). Oder vielleicht haben wir einfach wegen der stochastischen Natur der Wasserzufuhr eine trockenere Erde. Die Milliarden von Würfelvorgängen haben uns die Zahlen gegeben, mit denen wir leben und die wir für normal halten. Wir können die Erde also kaum als die Norm annehmen.

71 Prozent der Erde sind von Wasser bedeckt. Zusätzlich zu der zugeführten Wassermenge (und den Mechanismen dieser Zufuhr) müssen wir einbeziehen, wo es gespeichert wird, wie Ozean und Erdmantel miteinander wechselwirken und wie topographische Merkmale die Wasserverteilung beeinflussen. Das Leben konnte entstehen und die technologische Zivilisation konnte Fuß fassen, weil all diese Faktoren den Planeten daran hinderten, zu einer Wasserwelt zu werden, ein feines Gleichgewicht, sagt Simpson, das den meisten habitablen Welten fehlt.

Simpsons Artikel ist ein faszinierender Lesestoff und einer, der Futter für Science-Fiction-Szenarien liefern sollte (ich betrachte das alles als gut), aber er ist sehr spekulativ, nachdem unsere Modelle der Wasserzufuhr im frühen Sonnensystem immer noch eine im Gange befindliche Arbeit sind. Worauf wir immer wieder zurückkommen, das ist die Notwendigkeit der Beobachtung. In Simpson Bezugnahme auf Titan im Anfangsteil des Artikels waren es Daten, die bewiesen, was Dermott und Sagan gesagt hatten, und Daten werden benötigt, um Faktoren wie die Tiefe der Wasserbecken der Erde in einen kosmischen Kontext zu bringen. Wir können also Theorien über Wasserwelten im Kopf behalten, während wir in den kommenden Jahrzehnten den tatsächlichen atmosphärischen Gehalt von Exoplaneten zu studieren beginnen, wenn neue weltraum- und bodengestützte Mittel verfügbar werden.

Der Artikel ist Simpson, „Bayesian evidence for the prevalence of waterworlds“, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 468 (3) (2017), 2803-2815 (voller Text). Danke an Phil Tynan für einen frühen Hinweis auf diesen Artikel.

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Originalübersetzung hier

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