Archive for the tag 'Erde'

Die Atmosphären anderer Erden

März 26th, 2009

Alpha-Centauri ist ein Doppelsternsystem, hier mit einem Pfeil markiert

Alpha-Centauri ist ein Doppelsternsystem, hier mit einem Pfeil markiert

Die Suche nach anderen Erden

Die Erforschung von Exoplaneten führt bis heute an den Rand des technisch Machbaren. Das Grundproblem ist der große Masseunterschied zwischen Planeten und ihren Sternen – und die Leuchtkraft. Eine Reihe von Entdeckungsmethoden ist im Einsatz, um ferne Planetensysteme aufzuspüren. Alle setzen jedoch darauf, dass in jenem System planetare Extrembedingungen vorherrschen, was für uns die Entdeckung vereinfacht. Ist ein Kandidat besonders massereich oder umkreist er seinen Zentralstern in besonders kleinem Abstand? Solche Kandidaten stellen bis heute das Gros der 344 entdeckten Exoplaneten. Die Suche nach kleinen massearmen erdähnlichen Planeten, die in der habitablen Zone um ihren Stern kreisen, begünstigt diese ungewollte Auswahl leider nicht.

Doch die Planetenjäger wollen diesen Zustand ändern. Nach dem Start des NASA-Teleskops Kepler sollte in wenigen Jahren eine Reihe erdähnlicher Planeten bekannt sein. Doch Kepler ist nicht in der Lage, seine Funde genauer, beispielsweise auf Biomarker wie Ozon oder Methan hin, zu untersuchen. Neuartige hochauflösende Teleskope wie das 2013 zu startende James Webb Space Telescope (JWST) stehen in naher Zukunft zur Verfügung. Werden sie in der Lage sein, uns Antworten über die fernen Erden zu geben?

Es wird ausgesprochen schwierig

Die US-amerikanischen Forscher Lisa Kaltenegger vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics sowie Wesley Traub vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) haben nun untersucht, zu welchen Antworten das JWST kommen kann und wo es auf eigene technische Grenzen stößt. Ihre Ergebnisse, die auch im Web abrufbar sind, veröffentlichten sie kürzlich in The Astrophysical Journal.

Die Wissenschaftler untersuchten die Möglichkeit, während eines Transits mehr über die chemischen Bestandteile in der Planetenatmosphäre zu erfahren. Ein Transit passiert bei allen Systemen, deren planetare Ebene von der Erde aus gesehen den Zentralstern bedeckt. Allein dieser Fakt ist nicht sonderlich wahrscheinlich, doch gingen sie davon aus, dass wir in naher Zukunft eine Zahl solcher Welten gefunden hätten und mit einem dem JWST ähnlichen Teleskop einen Blick darauf werfen könnten. Geht man von einem sonnenähnlichen Stern und einem Planeten wie der Erde aus, klingt ihr Ergebnis ernüchternd:

„Wenn wir es wirklich schaffen, die Atmosphäre eines Planeten zu entschlüsseln, um daraus zu schließen, dass es sich um einen erdähnlichen Planeten handelt, müssten wir schon sehr viel Glück haben“, sagte Kaltenegger. „Denn dafür müssten wir eine sehr große Zahl von Transits beobachten, vielleicht mehrere hundert, selbst für Sterne in einem Abstand von nur 20 Lichtjahren. Das Vorhaben, weiter entfernte Atmosphären zu untersuchen, wird ausgesprochen schwierig, ist aber auch ungemein spannend.“

Ein eineiiger Zwilling unseres Planetensystems lässt sich nur in unmittelbarer Nachbarschaft untersuchen. Der einzige Stern, der wie unsere Sonne ein Typ-G-Stern ist, wäre Alpha Centauri A, bei dem bisher gar keine planetaren Begleiter gefunden wurden.

Nun erweiterten die Forscher ihr Auswahlkriterien. Während sonnenartige gelbe Typ-G-Sterne in der Milchstraße nur eine Randrolle spielen, stellen die leuchtschwächeren roten Typ-M-Sterne die Mehrheit der Population. Die habitable Zone, der Bereich also, in dem Wasser flüssig ist, rückt dabei deutlich an den Stern heran. Hier vorkommende erdähnliche Exoplaneten müssten nicht nur in geringerem Abstand um ihren Stern kreisen, sondern auch mit einer kleineren Periode. Typ-G-Sterne sind demnach der perfekte Hort für erdähnliche Planeten, über die wir mehr erfahren wollen: Sie treten in der Milchstraße besonders häufig auf und erzeugen potentiell deutlich mehr der für die Untersuchung essentiellen Transits.

Zuletzt stellen die Forscher fest, dass neue Teleskope irgendwann auch in der Lage sein werden, Exoplaneten direkt abzubilden, ohne auf Transits angewiesen zu sein. „Die direkte Erfassung von Photonen vom Planeten selbst könnte sich zur ultimativen Untersuchungsmethode ferner Atmosphären entwickeln“, so Kaltenegger. Mit den Teleskopen Hubble und Spitzer ist es bereits gelungen, die Zusammensetzung extrem heißer und massereicher Exoplaneten direkt zu untersuchen. Das nächste Ziel ist die Charakterisierung eines „kleinen blauen Punktes“, entweder durch hunderte Transits vor seinem Zentralstern oder die direkte Beobachtung.

Erdmagnetfeld fördert Sauerstoff-Verlust

September 3rd, 2008

Teilchenstrom, der den Polregionen der Erdatmosphäre entstammt (NASA/ESA)

Teilchenstrom, der den Polregionen der Erdatmosphäre entstammt (NASA/ESA)

Die Erde ist einem ständigen Strom geladener Teilchen ausgesetzt, die aus den Tiefen des Alls, vor allem aber von der Sonne stammen. Dass diese nicht bis zu uns vordringen verdanken wir dem dem Magnetfeld, das durch die Rotation des festen inneren Erdkerns im flüssigen äußeren erzeugt wird. Vor dem Weltraumzeitalter glaubten Wissenschaftler, der Teilchenstrom würde regelmäßig wie ein lauer Sommerregen zur Erde gelangen. Wie komplex die Interaktionen in der sogenannten Erdmagnetosphäre aber wirklich sind, beginnt man erst langsam zu begreifen.

Die Ionen aus dem Sonnenwind können auf vielfältige Weise mit der Erde interagieren. Sie werden entlang der Magnetfeldlinien geleitet und können so, bei ausreichender Windstärke, auch in die Atomsphäre eindringen und hier Polarlichter verursachen. Jedoch zeigte sich durch Satellitenbeobachtungen der letzten Jahrzehnte, dass auch Ionen aus der Erdatmosphäre zum Teilchenstrom beitragen, die den erdnahen Raum anreichern und gemeinsam mit Sonnenwindpartikeln den magnetosphärischen Schweif unseres Planeten bilden.

Es besteht besteht jedoch kein Grund zur Beunruhigung, denn gemessen an den Reserven der Erdatmosphäre spielen die Verluste keine Rolle. Jedoch hat die die Entdeckung von ins All gerichteten Teilchenfontänen, die den irdischen Polregionen entstammen, unser Bild von der Atmosphäre stark gewandelt.

Einem Forscherteam um den schwedischen Planetologen Dr. Hans Nilsson vom Schwedischen Institut für Weltraumphysik zufolge wurde der Prozess des Teilchenstroms aus der Erdatmosphäre nun besser verstanden, wie es im geowissenschaftlichen Journal Annales Geophysicae berichtet. Die Wissenschaftler verwendeten Daten, die die Cluster-Flotte zwischen 2001 und 2003 gesammelt hatte.

Bisher waren mehrere Mechanismen vorgeschlagen worden, die für die Beschleunigung der Ionen verantwortlich sein könnten. Aufgrund der komplexen Bedingungen war es bisher nicht möglich gewesen, diese im Labor zu simulieren und Wissenschaftler waren auf die Auswertung satellitengestützter Daten angewiesen. Mit dem Cluster-Quartett war es möglich, dreidimensional aufgelöste Daten zu erhalten. Nilssons Team hat als wichtigsten Prozess beim Herausschleudern irdischer Atmsphärenteilchen die zentrifugale Beschleunigung entlarvt.

„Wir benötigten exakt vier Raumfahrzeuge, um alle Faktoren der Formel abschätzen zu können, welche die zentrifugale Beschleunigung beschreibt. Der Prozess beschleunigter Sauerstoffionen entlang magnetischer Feldlinien an sich ist bereits gut verstanden“, sagte Nilsson.

Wenn sich die Sauerstoffionen parallel zu den Feldlinien des Erdmagnetfelds bewegen, induzieren diese ein elektrisches Feld senkrecht dazu. Dies resultiert in einer Kraft, die wiederum zu beiden Feldern senkrecht steht und die Teilchen unter den richtigen Bedingungen ins All beschleunigen kann. Der Effekt kann deutlich mehr Energie an schwere Ionen der Erdatmosphäre abgeben als an leichtere wie Helium oder Protonen. Dem Team um Hansen gelang es, die veränderte Form der Feldlinien und so den gesamten Prozess indirekt zu beobachten.

Jedoch ist der gesamte Prozess der ausgestoßenen Sauerstoffionen weiterhin das Ziel der Forschung. In der Vergangenheit konnte zwar die Anreicherung im magnetosphärischen Schweif der Erde beschrieben werden, zur zeitlichen und räumlichen Untersuchung der Prozesse war jedoch eine Gruppe von Forschungssatelliten notwendig, die erst mit dem Start der Cluster-Flotte besteht. Zusätzlich erschwert wird die Forschung darin, dass Laborexperimente des Effekts aufgrund der Größenordnung – Luftschichten einer Höhe einiger zehntausend Kilometer – kaum denkbar sind.

Die Mission Cluster besteht aus vier baugleichen Satelliten, die seit ihrem Start im Jahr 2000 die Magnetosphäre des erdnahen Raums untersuchen. An Bord befinden sich auch zwei in Deutschland entwickelte Instrumente. Seit Dezember 2003 wird die Mission durch das chinesisch-europäische Satellitenpaar Double Star unterstützt.