Systeme in den frühen Stadien der Bildung erfahren die meisten Auswirkungen aufgrund des Vorhandenseins einer großen Anzahl von Embryonen in instabilen Bahnen. Werden wir in der Lage sein, diese Prozesse zu betrachten und die Vergangenheit der Erde aufzudecken?
In den letzten Stadien der Planetenbildung stoßen junge Planetenembryonen gegen andere Protoplaneten, wodurch ihre Oberflächen und Mäntel intensiv schmelzen. Eine solche Kollision zwischen der zukünftigen Erde und Theia, die sie traf, schuf das Erde-Mond-System und führte zur Entstehung des Magma-Ozeans: eine Mischung aus geschmolzenen Silikaten und flüchtigen Stoffen, die sich über den gesamten Mantel erstreckt. Ozeane aus Magma bilden die Grundlage für die frühe Oberfläche und Atmosphäre, auf der sich schließlich die Lebensbedingungen entwickelten.
Die Kollision der neugeborenen Erde und Theia (ein Objekt von der Größe des Mars), die zur Bildung des Mondes führte.
Unglücklicherweise für Geophysiker, aber zum Glück für das Leben im Allgemeinen, haben mehrere Milliarden Jahre Plattentektonik auf der Erde die klaren Zeichen eines Magma-Ozeans zerstört, und so verstehen Wissenschaftler kaum, wie diese heiße und geschmolzene Welt zu einem bewohnbaren Planeten wurde. Es wird jedoch angenommen, dass die allgemeinen Prinzipien der Bildung felsiger Planeten in den Systemen anderer Sterne ähnlich sind, und daher sind die stärksten Auswirkungen auf die Planeten, die sich derzeit in den Umlaufbahnen junger Sterne bilden, nicht selten.
Dies ermöglicht es, eine Momentaufnahme des Nachglühens von riesigen Stößen in exoplanetaren Systemen zu erfassen. Der direkte Nachweis eines geschmolzenen Protoplaneten wird der Schlüssel zu den frühen Stadien der Planetenentwicklung sein.
Die Jagd nach geschmolzenen Welten
Junge Protoplaneten sind sehr heiß und hell, da ihre Oberflächentemperaturen 3000 ° C erreichen können. Man könnte also denken, dass sie am Nachthimmel leicht zu erkennen sind, aber leider ist dies nicht ganz richtig. Wenn der geschmolzene Mantel erstarrt, werden die gelösten flüchtigen Stoffe wie Wasser und Kohlendioxid allmählich in die Atmosphäre freigesetzt. Ohne starke Sternwinde oder starke ultraviolette Strahlung des Sterns verdickt sich die Atmosphäre des Planeten und verdeckt dadurch die Oberfläche. Dabei wirkt es wie eine Decke und verlängert die Abkühlzeit des Magma-Ozeans.
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Eine künstlerische Darstellung eines Exoplaneten, der von Magma-Ozeanen bedeckt ist.
Während die Existenz von Magma-Ozeanen durch theoretische Modelle der Planetenbildung nahegelegt wurde, wurde ein globales Abschmelzen von Körpern infolge von Kollisionen zwischen Protoplaneten noch nicht beobachtet. Da erwartet wird, dass die Anzahl solcher Einschläge mit der Zeit allmählich abnimmt, bieten junge Planetensysteme die besten Chancen, solche Objekte zu erkennen.
Um sichtbar zu sein, müssen diese geschmolzenen Körper jedoch zwei Bedingungen erfüllen. Erstens, sei nicht zu nahe an ihrem Stern, sonst kann das Teleskop den geschmolzenen Protoplaneten nicht von seinem hellen Wirt trennen. Zweitens muss eine ausreichende Menge an Strahlung aus dem Magma-Ozean in die Atmosphäre eindringen.
In Bezug auf die emittierte Strahlung sind geschmolzene Protoplaneten ein attraktives Ziel für die direkte Bildgebung, da sie viel heller sind als ältere Planeten wie die Erde. Wenn wir also jemals sofort Fotos von erdähnlichen extrasolaren Planeten sammeln wollen, dann sind geschmolzene Protoplaneten ein guter Anfang!
Wie hoch sind die Chancen, Nachglühen zu erkennen?
Leider bleibt die direkte Erkennung geschmolzener Planeten selbst mit den fortschrittlichsten Bildgebungswerkzeugen unerreichbar. In den 2020er Jahren werden jedoch kolossale Bodenteleskope auf dem Boden stehen: das Extrem Large Telescope (ELT) der ESO in Chile, das Giant Magellanic Telescope (GMT) in Chile und das 30-Meter-Teleskop (TMT) in Hawaii. Neben neuen bodengestützten Observatorien werden Konzepte für zukünftige Weltraummissionen zur direkten Abbildung von felsigen Planeten in bewohnbaren Zonen sonnenähnlicher Sterne in Betracht gezogen, insbesondere das LIFE-Interferometer (Large Interferometer for Exoplanet), das eine beispiellose Genauigkeit bei der Charakterisierung extrasolarer Planeten verspricht.
Künstlerische Darstellung des extrem großen Teleskops der ESO.
Die Wahrscheinlichkeit, einen geschmolzenen Planeten zu sehen, hängt von zwei Hauptfaktoren ab: der kumulierten Anzahl von Rieseneinschlägen, die von Objekten im Planetensystem erfahren werden, und dem Zeitintervall, in dem der geschmolzene Körper heiß genug bleibt, um erkannt zu werden.
Um die Wahrscheinlichkeit der Beobachtung geschmolzener Protoplaneten zu bestimmen, müssen Sie zunächst die Wahrscheinlichkeit von Rieseneinschlägen durch Simulation der Planetenbildung ermitteln. Computersimulationen verfolgen die Entwicklung der Umlaufbahn und das Wachstum von Planetenembryonen, wenn diese bei Kollisionen zu vollwertigen Planeten verschmelzen.
Systeme in den frühen Stadien der Bildung erfahren die meisten Auswirkungen aufgrund des Vorhandenseins einer großen Anzahl von Embryonen in instabilen Bahnen. Davon abgesehen werden diese umlaufenden roten Zwerge, die häufigsten Sterne in der Milchstraße, fast doppelt so oft getroffen wie die um die Gegenstücke unserer Sonne. Dies ist sehr vielversprechend in Bezug auf die Wahrscheinlichkeit des Auftretens magmatischer Ozeane, aber es gibt eine Einschränkung: Protoplaneten in solchen Systemen befinden sich in engen Umlaufbahnen und können daher nicht von der Strahlung des Sterns getrennt werden. Außerdem sind die Kollisionen weniger energisch und daher sind die Körper stumpf. Die mögliche Beobachtbarkeit hängt somit vom Alter des Sterns, der Anzahl der Stöße und der Kollisionsenergie ab.
Angesichts der Häufigkeit des Auftretens von Magma-Ozeanen berechneten die Wissenschaftler die Entwicklung und Existenzperiode von Magma-Ozeanen, um Änderungen der Oberflächentemperatur in Abhängigkeit von der Größe des Planeten und der Dicke seiner Atmosphäre zu bestimmen, die sich im sogenannten Emissionsgrad ausdrückt: Je niedriger er ist, desto isolierender ist die Atmosphäre.
Eine künstlerische Darstellung eines jungen Exoplaneten, der ständig von Embryonen in instabilen Bahnen bombardiert wird.
Große Protoplaneten mit einer dicken Atmosphäre unterstützen Magma-Ozeane länger, weisen jedoch auch eine geringere Strahlung auf und liegen mit größerer Wahrscheinlichkeit unter dem Empfindlichkeitsniveau von Teleskopen. Es ist wichtig zu beachten, dass sich die wahrscheinliche Zusammensetzung von Exoprotoplaneten erheblich von den frühen Planeten des Sonnensystems unterscheiden kann. Das Emissionsvermögen hängt also von einem zusätzlichen Parameter ab: einer Vielzahl von Zusammensetzungen und Massen exoplanetarer Atmosphären.
Natürlich ist die Nähe zum Sonnensystem der beste Ort, um mit ELT oder LIFE nach geschmolzenen Planeten zu suchen. Die vielversprechendsten Ziele sind junge, nahe gelegene und massive Sterngruppen. Stellen Sie sich vor, Wissenschaftler haben bereits ein "geeignetes" Teleskop und müssen alle einzelnen Sterne in einer Assoziation betrachten. Wird ein geschmolzener Protoplanet gefunden? Weder ja noch nein. Die Antwort ist die statistische Wahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von einer Reihe physikalischer Parameter.
Panoramaaufnahme der Carina OB1-Assoziation, die mehrere Gruppen junger Sterne enthält, wie zum Beispiel den Trumpler 14-Cluster, in dem etwa 2.000 Sterne leben. Die uns am nächsten gelegenen Systeme wie dieses sind die Hauptziele für die Erkennung von Kollisionen von Protoplaneten.
Zum Beispiel umfasst die Assoziation β Pictoris (Beta Pictoris), die 63 Lichtjahre von der Sonne entfernt liegt, 31 Sterne mit einem Durchschnittsalter von 23 Millionen Jahren. Die Wahrscheinlichkeit, mindestens einen Planeten mit einem Ozean aus Magma in ihren Planetensystemen zu entdecken, ist bei Verwendung eines unempfindlichen Filters vernachlässigbar, kann jedoch bei Beobachtungen mit LIFE bei 5,6 Mikrometern oder ELT bei 2,2 Mikrometern 80% erreichen.
Was bedeuten diese Zahlen und was ist als nächstes zu tun?
Es bleiben noch einige Fragen offen. Zum Beispiel ist immer noch unklar, ob Planeten um alle Sterne herum geboren werden und welche Arten von Planeten je nach Klasse des Sterns zu erwarten sind.
Frühere Studien, in denen die mögliche Beobachtbarkeit geschmolzener Planeten diskutiert wurde, fragten sich, ob das Nachleuchten eines riesigen Aufpralls, ähnlich dem des Mondes, unter Proto-Erd-Bedingungen aufgezeichnet werden könnte. Eine Untersuchung von Exoplaneten in den letzten Jahrzehnten hat jedoch gezeigt, dass sich viele ihrer Eigenschaften (Zusammensetzung, Masse, Radius, Umlaufbahn und andere) stark von allem unterscheiden, was als Ergebnis der Untersuchung des Sonnensystems angenommen wurde. Daher erwarten Wissenschaftler große Unterschiede zwischen den Zusammensetzungseigenschaften junger Protoplaneten und ihrer Atmosphäre, dh die Frage nach der möglichen Beobachtbarkeit der sich bildenden Proto-Erde ist interessant, aber aufgrund der unbedeutenden Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins solcher Protoplaneten in absehbarer Nähe der Sonne unwichtig.
Tausende von Sternensystemen leben in der Milchstraße.
Um der Entdeckung eines geschmolzenen Protoplaneten in den nächsten Jahren näher zu kommen, müssen einige Schlüsselfragen beantwortet werden: Was sind die typischen Unterschiede in der Atmosphäre von felsigen Planeten, wie sind flüchtige Stoffe zwischen dem Mantel und der Atmosphäre verteilt?
Beobachtungskampagnen werden es Wissenschaftlern ermöglichen, ihr Verständnis der atmosphärischen Eigenschaften und der Verteilung der Zusammensetzung zu verbessern. Darüber hinaus müssen die Eigenschaften einzelner Mitgliedssterne der vielversprechendsten Assoziationen besser eingeschränkt werden: β Pictoris, Columba, TW Hydrae und Tucana-Horologium. Dies erfordert die gemeinsame Anstrengung von Theoretikern und Beobachtern, Astronomen, Geophysikern und Geochemikern.
Irgendwann, in nicht allzu ferner Zukunft, können wir möglicherweise einen Blick auf eine leuchtende junge Welt werfen, die sich möglicherweise nicht allzu sehr von unserem eigenen Zuhause im Universum unterscheidet.
Arina Vasilieva
