Soweit wir wissen, braucht das außerirdische Leben felsige Planeten, um weiterzuleben. Die frühesten Planeten dieser Art könnten voller Kohlenstoff gewesen sein, wobei frühe Lebensformen auf Welten mit Diamantschichten unter ihren Krusten und kohlschwarzen Oberflächengesteinen auftraten.
Eine aktuelle Studie von Natalie Mashian und Avi Loeb am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics untersuchte die Bildung von Planeten um kohlenstoffangereicherte metallarme Sterne (CEMPs). Diese Arten von Sternen entstanden wahrscheinlich im frühen Universum, kurz nachdem die erste Generation massereicher Sterne ihren Kernbrennstoff verbrannt hatte und als Supernova explodierte. Wenn es Planeten um solche Sterne gibt, bedeutet dies, dass das Leben innerhalb von ein paar hundert Millionen Jahren nach dem Urknall vor 13, 8 Milliarden Jahren im Universum aufgetaucht sein könnte. Frühere Studien wiesen darauf hin, dass dies möglicherweise länger gedauert hätte. Das älteste bisher entdeckte Exoplanetensystem, Kepler 444, umgibt einen etwa 11, 2 Milliarden Jahre alten Stern.
Elemente wie Eisen und Silizium werden normalerweise als wesentlich für die Herstellung von Planeten angesehen, da sie Staubkörner bilden, um die sich durch Gravitationsakkretion größere Körper bilden können. Sogar wasserstoffreiche Gasriesen wie Jupiter gingen von einem solchen "Samen" aus. CEMPs haben jedoch nicht so viele schwere Elemente wie Eisen wie unsere Sonne, nur ein Hunderttausendstel, was etwas aussagt, da die Sonne nur 0, 003 Prozent Eisen enthält. Wenn sich CEMPs also hauptsächlich aus Gaswolken und Staub von Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff bilden, ist eine Frage, ob sich Planeten wie die Erde mit festen Oberflächen bilden könnten.
Mashian und Loeb schlagen vor, dass sich Planeten tatsächlich in einem solchen Nebel und damit in der Nähe von CEMPs ansiedeln können. Astronomen könnten sie mit einigen der neuesten Weltraumteleskope und zukünftigen Instrumenten finden, wie dem James Webb Space Telescope, wenn sie online gehen. "Die Methoden sind die gleichen wie bei früheren Exoplaneten-Missionen", sagte Loeb gegenüber Smithsonian.com. "Sie würden nach Planeten suchen, die ihre Sterne durchqueren."
In ihrer Studie modellieren Mashian und Loeb die Abstände von CEMPs, die die Planeten bilden würden, und wie groß sie wahrscheinlich sein werden. Solche Planeten hätten wenig Eisen und Silizium, die Elemente, die einen großen Teil der Erde ausmachen. Stattdessen wären sie kohlenstoffreicher. Sie fanden heraus, dass die maximale Größe in der Regel das 4, 3-fache des Erdradius beträgt. Ein Kohlenstoffplanet würde laut Studie auch die Bildung vieler Kohlenwasserstoffmoleküle auf der Oberfläche ermöglichen, vorausgesetzt, die Temperatur ist nicht zu hoch. Und jeder Planet mit einer Masse von weniger als dem Zehnfachen der Erde würde in seiner Atmosphäre viel Kohlenmonoxid und Methan enthalten, heißt es in der Studie.
In einem Nebel, der reich an leichteren Elementen ist, gibt es wahrscheinlich auch Wasser, eine weitere Schlüsselkomponente einer Biosphäre. "Selbst bei niedrigen Sauerstoffgehalten neigt Wasserstoff dazu, sich damit zu verbinden und Wasser zu bilden", sagte er. Ein Kohlenstoffplanet könnte also Wasser haben. Loeb sagte in einer Erklärung, dass, da das Leben selbst auf Kohlenstoff basiert, dies gut für das Aussehen von Lebewesen ist.
CEMPs sind so arm an schwereren Elementen, weil sie aus den Überresten der ersten Sterne gebaut wurden, die im Universum auftauchen - Giganten mit der hundertfachen Masse der Sonne. Der Kern eines massiven Sterns ist wie eine Zwiebel. Die schwersten Elemente, die durch Kernfusion erzeugt werden, befinden sich in der Mitte - Eisen, Magnesium und Silizium befinden sich in den innersten Schichten, während sich Kohlenstoff, Sauerstoff und ein Teil des verbleibenden Heliums und Wasserstoffs in den äußeren befinden. Loeb sagte, dass ein Großteil des Materials in den inneren Schichten - diese schwereren Elemente - in das schwarze Loch zurückfallen wird, das sich bildet, nachdem der Stern eine Supernova geworden ist. In der Zwischenzeit werden die leichteren Elemente in den Weltraum ausgestoßen, um neue Sterne zu bilden. Diese Sterne, die sich aus den Gasen der ersten Zeit bilden, sind arm an Metallen wie Eisen, aber kohlenstoffreich - den CEMPs.
Erst später, wenn weniger massive Sterne altern und als Supernovae explodieren, können die schwereren Metalle austreten. Ein Stern unter 25 Sonnenmassen wird in einen Neutronenstern zerfallen oder als weißer Zwerg enden. Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern haben Neutronensterne und Weiße Zwerge keine schnelleren Fluchtgeschwindigkeiten als Licht, so dass die Supernova-Explosion das Eisen viel wahrscheinlicher vom Kern des Sterns ausbreitet. Deshalb haben Sterne wie die Sonne genauso viel Eisen wie sie, und warum die Erde noch schwerere Elemente hat.
Ob solche Planeten jedoch Leben haben oder nicht, ist noch offen. Bei der eigentlichen Studie geht es eher darum, die Planeten überhaupt erst zum Entstehen zu bringen, was ein wesentlicher Schritt für das Leben ist. "Mein Doktorand [Mashian] ist konservativ", witzelte Loeb. Um Lebenszeichen zu sehen, muss man die Atmosphären der betreffenden Planeten sehen. Das Ziel wäre die Signatur von Sauerstoff, der in irgendeiner Weise aus der Atmosphäre eines Planeten verschwindet, wenn er mit Oberflächengesteinen reagiert. Auf der Erde wird der Sauerstoff von Pflanzen hergestellt, die Kohlendioxid aufnehmen. Außerirdische, die die Atmosphäre unseres Planeten betrachten, bemerken, dass etwas nicht stimmt.
Um diese Atmosphären zu sehen, werden - vorausgesetzt, die Planeten selbst sind gefunden - wahrscheinlich leistungsstärkere Teleskope benötigt, als derzeit verfügbar sind. "[Das James Webb-Weltraumteleskop] könnte dies für die nächsten Sterne nur am Rande tun", sagte er. "Aber CEMPs sind zehnmal weiter weg."
