Jüngste Laborexperimente haben eine überraschende Möglichkeit aufgedeckt: Einige Planeten könnten ihr eigenes Wasser erzeugen, anstatt es von externen Quellen wie Kometen oder Asteroiden zu beziehen. Diese Entdeckung verändert unser Verständnis darüber, wie wasserreiche Exoplaneten entstehen, erheblich und wirft neue Fragen über das Potenzial für Leben außerhalb der Erde auf.
Simulation extremer Planetenbedingungen
Den Forschern gelang es, die extremen Bedingungen auf bestimmten Exoplaneten zu simulieren, indem sie Olivin – ein im Planeteninneren häufig vorkommendes Mineral – in Gegenwart von Wasserstoffgas hochenergetischen Laserstrahlen aussetzten. Durch diesen Prozess werden dem Mineral effektiv seine Sauerstoffatome entzogen, sodass der Sauerstoff mit dem Wasserstoff reagieren und anschließend Wasser produzieren kann. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse am 29. Oktober in Nature.
Wasserreiche Exoplaneten: Ein seit langem bestehendes Rätsel
Die Existenz zahlreicher Exoplaneten, deren Größe und Masse zwischen Erde und Neptun liegt, gibt Wissenschaftlern Rätsel auf. Viele dieser Planeten kreisen bemerkenswert nahe um ihre Muttersterne, viel näher als die Erde die Sonne umkreist. Ihre Dichte weist darauf hin, dass sie ein felsiges Inneres und eine beträchtliche Wasser- oder Wasserstoffschicht besitzen. Allerdings blieb unklar, wie diese Planeten so viel Wasser ansammeln konnten.
Die Schneegrenze und traditionelle Theorien
Unser Sonnensystem ist ein klares Beispiel für die „Schneegrenze“, eine Grenze, jenseits derer aufgrund kühlerer Temperaturen reichlich Wasser vorhanden ist. Innerhalb der Schneegrenze, wie sie auf der Venus zu sehen ist, neigt Wasser dazu, zu verdampfen. Planeten jenseits der Schneegrenze, wie Saturn und Neptun, sind reich an Wasser und Gas. Astrophysiker glaubten zunächst, dass sich wässrige Exoplaneten weit entfernt von ihren Sternen bilden und dann nach innen wandern müssten. Die neue Forschung legt jedoch nahe, dass durch chemische Reaktionen lokal unter den richtigen Bedingungen Wasser hergestellt werden kann.
Extreme Umgebungen nachbilden: Eine Diamant-Herausforderung
Die Nachbildung dieser extremen Bedingungen erwies sich als Herausforderung. Um die erforderliche Temperatur und den erforderlichen Druck zu erreichen, verwendeten Wissenschaftler eine „Diamantambosszelle“ – einen winzigen Behälter. Allerdings drangen erhitzte Wasserstoffmoleküle in die Struktur des Diamanten ein und ließen ihn zersplittern. Um diese Hürde zu überwinden, wechselten die Forscher dazu, gepulste Laser zu verwenden und die Probe für sehr kurze Zeiträume zu erhitzen.
„Ich habe immer noch viele Diamanten zerbrochen“, gesteht Harrison Horn, ein Planetenforscher am Lawrence Livermore National Laboratory.
Unerwarteter Wasserreichtum
Als das Experiment erfolgreich war, waren die Wissenschaftler von der schieren Menge an produziertem Wasser überrascht. „Es war kein Stein mehr übrig. Alles, was ich hatte, war Metall und Wasser“, sagte Horn. Der Geophysiker Dan Shim von der Arizona State University fügte hinzu: „Wir sprechen von einer Menge Wasser, etwa tausendmal mehr Wasser, als man auf der Erde erwartet, wenn man eine dicke Schicht Wasserstoffatmosphäre hat.“ Bemerkenswerterweise wurden etwa 18 Prozent der Ausgangsmasse in Wasser umgewandelt.
Die Grenzzone: Wo sich Wasser bildet
Die Forscher glauben, dass dieser wassererzeugende Prozess an der Grenze zwischen dem felsigen Inneren eines Planeten und seiner wasserstoffreichen Atmosphäre stattfindet, wo hohe Drücke und Temperaturen die Reaktion antreiben können. Die resultierenden Welten könnten entweder riesige Ozeanwelten sein, die zwei- bis fünfmal so groß wie die Erde sind und von tiefen, flüssigen Ozeanen bedeckt sind, oder „Hyceen“-Welten – solche mit einem riesigen Ozean, der von einer dicken Wasserstoffschicht bedeckt ist.
Ein Kontinuum der Welten
Die Ergebnisse legen nahe, dass diese Art von Welten Punkte auf einem Kontinuum und keine unterschiedlichen Kategorien darstellen. „Sie sind verwandt, wie Cousins“, erklärte Shim. Ob ein Planet zu einer Ozeanwelt oder einer Hycea-Welt wird, hängt wahrscheinlich von Faktoren wie der Nähe zu seinem Stern, seiner Größe und seiner ursprünglichen Zusammensetzung ab.
Implikationen für die Bewohnbarkeit
Die Studie unterstützt die anhaltende Debatte über die Bewohnbarkeit von Hycean-Welten. Während neuere Untersuchungen darauf hindeuteten, dass ein Großteil ihres Wassers in ihren Mänteln eingeschlossen sein könnte und die Oberfläche trocken bleibt, erhöht diese neue Studie die Wahrscheinlichkeit, dass es reichlich Oberflächenwasser gibt. „Das sind vielleicht gute Nachrichten für das Leben auf diesen Planeten“, sagt Remo Burn, Astrophysiker am Observatoire de la Côte d’Azur.
Das Urwasser der Erde: Ein möglicher Ursprung
Diese Erkenntnisse geben auch Einblicke in die Herkunft des Wassers auf der Erde. Obwohl die für diese Reaktion erforderlichen extremen Bedingungen heute auf der Erde nicht existieren, könnten sie während ihrer Entstehung gegeben gewesen sein. Eine frühe Erde mit einer dicken Wasserstoffatmosphäre hätte ähnliche wasserbildende Reaktionen ermöglichen können.
Beweise aus antiken, tief in der Erde befindlichen Diamanten – die winzige Wasserbläschen mit einer einzigartigen chemischen Signatur enthalten – stützen diese Hypothese und deuten auf zwei unterschiedliche Wasserreservoirs auf der Erde hin: ein primitives, das durch frühe chemische Reaktionen gebildet wurde, und eine spätere Komponente, die von wasserreichen Kometen und Asteroiden geliefert wurde.
