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AB Initio Simulations for Super-Earths

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Kann es auf Planeten außerhalb unseres Sonnensystems Leben geben? Numerische Modelle geben Aufschluss

Außerhalb unseres Sonnensystems wurden bereits mehr als 4 000 Exoplaneten entdeckt, von denen die meisten ungefähr so groß wie die Erde oder bis zu doppelt so groß sind. Eine EU-Initiative will nun mehr über diese sogenannten Supererden erfahren, um zu erkunden, ob dort Leben möglich sein könnte.

Grundlagenforschung
Weltraum

„Wir haben den starken Verdacht, dass diese Supererden felsig sind und hauptsächlich aus Sauerstoff, Silizium, Magnesium, Eisen und Nickel bestehen“, sagt Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat François Soubiran. Er forscht im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ABISSE an der französischen Hochschule École Normale Supérieure de Lyon und wird dabei von Razvan Caracas betreut. „Durchschnittlich betrachtet, hat fast jeder Stern eine Supererde, was bedeutet, dass sie sehr häufig sind und wir auf einem oder mehreren von ihnen auch Leben vorfinden könnten.“ Bisher ist jedoch nur wenig über diese riesigen Versionen der Erde bekannt.

Können Supererden Magnetfelder erzeugen, ohne die kaum Leben denkbar ist?

ABISSE charakterisiert anhand von raffinierten numerischen Simulationen die Eigenschaften von Materialien im Inneren einer Supererde und erforscht, ob diese Eigenschaften zur Erzeugung von Magnetfeldern führen können. „Damit ein Planet ein Magnetfeld erzeugen kann, muss eine elektrisch leitende Flüssigkeit in einer konvektiven Bewegung vorhanden sein. Konvektion ist zum Beispiel zu beobachten, wenn man Wasser in einem Topf erwärmt“, erklärt Soubiran. Im Inneren unserer Erde wird das Magnetfeld durch den im flüssigen Zustand befindlichen Teil des Eisenkerns erzeugt. „Im Inneren von Supererden könnte der Eisenkern auch ebenso gut vollständig auskristallisiert sein. Ein Dynamoprozess wäre dort unmöglich.“ ABISSE möchte herausfinden, wo ein derartiger Prozess ablaufen könnte. In Hinsicht auf zwei Aspekte können die Projektpartner erhebliche Fortschritte verzeichnen. Der erste betrifft den Mantel, die zwischen Kruste und Kern befindliche Region des Erdkörpers. Alles deutet darauf hin, dass geschmolzene Silikate elektrisch leiten und auch eine Anreicherung von Eisen die Leitfähigkeit deutlich erhöhen könnte. Die Partner arbeiteten mit zwei Versuchsteams zusammen, um numerische Unterstützung bei der Analyse der Daten zu erhalten. Bei diesen Experimenten wurden die Eigenschaften von Silikaten mit und ohne Eisen unter sehr hohen Drücken untersucht. „Die vorläufigen Ergebnisse gestatten uns die Schlussfolgerung, dass die tiefen Magmaozeane von Supererden ausreichend leitend für einen Dynamoprozess sind“, sagt Soubiran.

In die mysteriösen Tiefen der Supererden eindringen

Die zweite wichtige Erkenntnis wirft einige Frage auf. Das ABISSE-Team entdeckte, dass sich Nickel und Eisen unter hohem Druck nicht gut vermischen. Berechnungen ergaben, dass die beiden Elemente auch bei niedrigen Temperaturen dazu tendieren, sich zu trennen, was hauptsächlich auf magnetische Effekte zurückzuführen ist. Das Team weiß jedoch noch nicht, wie die Temperatur dieses Verhalten beeinflusst. Einer Hypothese zufolge sind die Kerne von Supererden in eisen- und nickelreiche Abschnitte unterteilt. „Das ist eine völlig neue Idee, die gründlich untersucht werden muss“, fügt Soubiran hinzu. Gegenwärtig arbeiten die Forschenden mit Fachleuten für Modellierung zusammen, um die Ergebnisse der Berechnungen in ihre Modelle zu integrieren. Auf diese Weise können sie die wichtigsten Parameter für die Charakterisierung dieser Exoplaneten bestimmen und die passenden Bedingungen für Habitabilität ermitteln. „Viele der Planeten, die man schon bald entdecken wird, sind Supererden, und die Herausforderung, anderes Leben zu finden, treibt uns dazu an, sie so gut wir können zu charakterisieren“, erläutert Soubiran abschließend. „Numerische Simulationen sind ein großartiges Werkzeug, um diese planetarischen Objekte zu verstehen, die wir nicht – zumindest noch nicht – direkt erforschen können.“ Diese Forschung wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt.

Schlüsselbegriffe

ABISSE, Supererde, Planet, Magnetfeld, Sonnensystem, Exoplanet, Dynamoprozess

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