Universe Today hatte kürzlich das Privileg, eine Vielzahl wissenschaftlicher Disziplinen zu untersuchen, darunter Einschlagkrater, Planetenoberflächen, Exoplaneten, Astrobiologie, Sonnenphysik, Kometen, Planetenatmosphären, Planetengeophysik, Kosmochemie, Meteoriten, Radioastronomie, Extremophile, organische Chemie, Schwarze Löcher, Kryovulkanismus, Planetenschutz, Dunkle Materie, Supernovae und Neutronensterne und wie sie sowohl einzeln als auch gemeinsam zu unserem besseren Verständnis unseres Platzes im Universum beitragen.
Hier diskutiert Universe Today das wachsende Feld der Exomonde mit Dr. David Kipping, einem Assistenzprofessor in der Astronomieabteilung der Columbia University, und seinen Doktoranden Benjamin Cassese und Daniel Yahalomi. Dabei geht es um die Bedeutung der Erforschung von Exomonden, die Vorteile und Herausforderungen, potenzielle Exomond-Kandidaten, wie uns Exomonde etwas über die Suche nach Leben jenseits der Erde beibringen können und Ratschläge für zukünftige Studenten, die Exomonde erforschen möchten. Welche Bedeutung hat also die Erforschung von Exomonden?
Dr. Kipping sagt gegenüber Universe Today: „Es gibt vier Gründe, dies zu tun: 1) Wie häufig sind erdähnliche Welten? Exomonde könnten einen bedeutenden Beitrag zur kosmischen Zählung bewohnbarer Körper leisten; 2) Wie einzigartig ist das Erde-Mond-System? Man geht davon aus, dass der Mond eine einflussreiche Rolle bei der Entstehung und Entwicklung der Erde gespielt hat. Wenn wir also einen Zwilling der Erde entdecken, sollten wir uns natürlich fragen, ob es auch einen Zwilling auf dem Mond gibt.“
Dr. Kipping fährt fort: „3) Was sind die Mondentstehungskanäle? Im Sonnensystem sehen wir mindestens drei Wege: Einfang (z. B. Triton), Aufprall (z. B. der Mond) und Scheibenbildung (z. B. Galileische Monde). Wir möchten verstehen, ob es andere Methoden gibt und was die Details und Einschränkungen der drei uns bekannten Methoden sind; 4) Wenn wir HWO [Habitable Worlds Observatory] Bei einem Erdzwilling wäre ein mondähnlicher Mond nicht auflösbar und daher würde sich sein Licht mit dem des Planeten vermischen und möglicherweise falsch-positive Biosignaturen erzeugen. Das Wissen über Monde ist für unseren langfristigen Traum, Leben zu finden, von entscheidender Bedeutung.“
Neben dem Erdmond besteht unser Sonnensystem aus mehr als 200 Monden, aber nur eine Handvoll davon sind Ziel astrobiologischer Forschung, vor allem zwei der Galileischen Monde des Jupiters, Europa und Ganymed, und zwei der Saturnmonde, Enceladus und Titan, die jedoch alle signifikante Hinweise darauf liefern, dass sie im Inneren Ozeane aus flüssigem Wasser besitzen. Neben der Frage, ob das Erde-Mond-System einzigartig ist, können uns Exomonde auch zeigen, ob unser eigenes Sonnensystem einzigartig ist, angesichts der großen Bandbreite an Mondtypen, -formen und -größen und insbesondere ihrer Entstehung und Entwicklung.
Ein möglicher Grund für die Einzigartigkeit von Erde und Mond sind die Gezeitenkräfte, die durch das gegenseitige Ziehen der beiden Körper entstehen und die die relativ stabile Erdachse aufrechterhalten. Infolgedessen taumelt die Erde im Laufe von 26.000 Jahren ganz leicht wie ein Kreisel, d. h. ihre Achsneigung ändert sich in dieser Zeit nur um wenige Grad, wodurch unser Planet ein relativ stabiles Klima aufrechterhalten konnte, sodass Leben überleben und gedeihen konnte. Dies steht im Gegensatz zu kleineren Planeten wie dem Mars, der im Laufe von Hunderttausenden bis Millionen von Jahren wild taumelt, was zu großen Änderungen seiner Achsneigung zwischen 15 und 45 Grad führt, was wiederum Verschiebungen seiner Polkappen und drastische Klimaschwankungen zur Folge hat. Zum Vergleich: Sowohl die Achsneigung der Erde als auch die des Mars beträgt derzeit etwa 25 Grad. Aber was sind angesichts all der von Dr. Kipping aufgeführten Gründe einige der Vorteile und Herausforderungen der Erforschung von Exomonden?
„Einige Vorteile sind, dass die Entdeckung eines Mondes uns automatisch mehr über seinen Heimatplaneten verrät“, sagt Cassese gegenüber Universe Today. „Wir könnten zum Beispiel sofort feststellen, dass der Planet keine dramatischen Umlaufbahnänderungen durch Streuung mit anderen Planeten durchgemacht hat, da dies den Mond wahrscheinlich weggerissen hätte. Wir können die Umlaufbahn des Mondes auch dazu nutzen, die Masse des Planeten und sogar des Sterns zu messen, obwohl es auch andere Möglichkeiten gibt, beides zu messen.“
„Monde sind sehr schwer zu entdecken und bringen die Daten, die wir erhalten, wirklich an ihre Grenzen“, sagt Yahalomi gegenüber Universe Today. „Darin liegt sowohl eine Herausforderung als auch eine Chance. Um die kleinsten Signale in diesen Datensätzen zu entdecken, müssen wir neue Methoden und Techniken für eine äußerst präzise Datenanalyse entwickeln. Ich arbeite an der Entwicklung eines neuen analytischen Rahmens für die Untersuchung der Gravitationswirkung, die Monde auf ihre Wirtsplaneten haben. Wir arbeiten an Methoden, um zwischen den von Monden und benachbarten Planeten im selben Sternensystem verursachten Schwankungen zu unterscheiden. Ohne das Ziel, Monde zu entdecken, wären wir wahrscheinlich nicht motiviert, diese statistischen Techniken zu entwickeln, die dann (hoffentlich) weitreichendere Anwendungen haben können.“
Zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels hat die NASA die Existenz von 5.678 Exoplaneten bestätigt, von terrestrischen (felsigen) Welten bis hin zu Gasriesen, die viel größer als Jupiter sind. Im Gegensatz dazu wurde die Existenz von Exomonden nirgendwo im Kosmos bestätigt, was möglicherweise daran liegt, dass sie so schwer zu entdecken sind, wie Yahalomi bemerkt. Von den 5.678 bestätigten Exoplaneten wurden 4.193 mithilfe der Transitmethode bestätigt, die extrem kleine Einbrüche (ungefähr 1 Prozent) im Sternenlicht erkennt, wenn der Exoplanet vor seinem Mutterstern vorbeizieht oder diesen passiert.
Diese Einbrüche im Sternenlicht sind so gering, dass Astronomen mehrere Transite benötigen, um ihre Existenz zu bestätigen. Daher ist der Versuch, Exomonde zu entdecken, die viel kleiner sein könnten als der Exoplanet, den sie umkreisen, noch schwieriger. Obwohl es derzeit keine bestätigten Exomonde gibt, gibt es einige interessante Exomonde-Kandidaten, darunter Exomonde-Kandidaten, die diese Forscher untersucht haben?
„Die beiden Kandidaten, die wir angekündigt haben, sind Kepler-1625 bi und Kepler 1708 bI“, sagt Dr. Kipping gegenüber Universe Today. „Beide umkreisen Gasriesen in relativ großem Abstand von ihrem Stern und beide sind überraschend groß, 1625b-i ist etwa ein Neptun und 1708b-i ist ein Mini-Neptun. In anderer Hinsicht sind sie recht unterschiedlich, 1708b umkreist in einer engen Europa-ähnlichen Umlaufbahn, die scheinbar koplanar mit der Planetenumlaufbahn ist. Im Gegensatz dazu scheint 1625b-i geneigt und auf einer viel weiteren Umlaufbahn zu sein und sieht eher aus wie ein eingefangener Mond. Für 1625b-i haben wir eine Masse dank zeitlicher Transitschwankungen des Hauptplaneten, und diese Landung stimmt mit unserer Radiusmessung überein, die wir aus der Neigung des Mondes vor dem Stern erhalten haben. Für 1708b-i haben wir nur den Einbruch (nur zwei Transite), die Rate falsch-positiver Ergebnisse ist hier jedoch mit ~1 % gut gemessen, was uns großes Vertrauen in das Signal gibt.“
Wie bereits erwähnt, sind derzeit nur eine Handvoll der über 200 Monde unseres Sonnensystems Ziel der Astrobiologie und der Suche nach Leben außerhalb der Erde. Dazu gehören zwei der Jupitermonde, Europa und Ganymed, sowie zwei der Saturnmonde, Enceladus und Titan. Bei allen vier Monden gibt es Hinweise darauf, dass sie im Inneren Ozeane aus flüssigem Wasser besitzen. Titan ist der einzige Mond mit flüssigen Körpern auf seiner Oberfläche, die allerdings nicht aus flüssigem Wasser, sondern aus flüssigem Methan und Ethan bestehen.
Europa wurde zuvor von der Raumsonde Galileo der NASA erkundet und dabei unglaubliche Bilder der kleinen Mondoberfläche aufgenommen. Die Raumsonde Europa Clipper der Agentur, die diesen Oktober startet, wird jedoch bei ihrer Ankunft im Jahr 2030 die gründlichste Untersuchung des Bewohnbarkeitspotenzials Europas durchführen. Sie wird 50 Vorbeiflüge an dem kleinen Mond durchführen und hochauflösende Bilder seiner Oberfläche zurücksenden, während sie mit ihren leistungsstarken Instrumenten ermittelt, ob sein innerer flüssiger Wasserozean Leben beherbergen kann, wie wir es kennen und wie wir es nicht kennen.
Ganymed wurde auch von der Raumsonde Galileo der NASA untersucht, aber die Raumsonde JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) der Europäischen Weltraumorganisation, die sich derzeit auf dem Weg zum Jupiter befindet und dort voraussichtlich 2031 ankommen wird, hofft, auch die gründlichste Untersuchung des Bewohnbarkeitspotenzials von Ganymed durchführen zu können. Die Saturnmonde Enceladus und Titan wurden beide von der Raumsonde Cassini der NASA im Laufe ihrer 13-jährigen Mission zur Erforschung des Saturn und seiner zahlreichen Monde kartiert und eingehend untersucht.
Während dieser Zeit beobachtete und durchflog Cassini Geysire, die aus der Südpolregion von Enceladus austraten, was auf einen flüssigen Wasserozean unter der Eiskruste hindeutet. Außerdem landete er eine Sonde auf der Oberfläche von Titan und legte dabei abgerundete Felsbrocken frei, die möglicherweise aus fließendem flüssigem Methan oder Ethan bestehen. Darüber hinaus deuten Beweise darauf hin, dass Titan im Inneren einen flüssigen Ozean besitzt, der aus Wasser besteht, im Gegensatz zu Methan und Ethan auf seiner Oberfläche. Angesichts des Bewohnbarkeitspotenzials dieser Monde: Was können uns Exomonde über die Suche nach Leben jenseits der Erde lehren?
„Es gibt mindestens zwei Möglichkeiten, wie Monde das Leben anderswo in der Galaxie beeinflussen können“, sagt Cassese gegenüber Universe Today. „Erstens können Monde ihre Wirtsplaneten beeinflussen und stabilisieren [see above]. Der andere Grund ist, dass Monde selbst großartige Lebensräume sein könnten. Auf Monden wie Europa befinden sich einige der größten flüssigen Wasserreserven unseres Sonnensystems, und es ist möglich, dass andere Monde ähnliche Bestandteile aufweisen, die wir für lebensnotwendig halten. Wenn Monde auch nur annähernd so häufig sind wie Planeten, wäre der potenziell bewohnbare Bereich der Galaxie viel größer, als wir derzeit annehmen.“
Yahalomi sagt gegenüber Universe Today: „Nach dem, was wir derzeit über die Planetenentstehung und unser Sonnensystem mit Hunderten von Monden wissen, müsste es um viele der Exoplaneten, die wir gefunden haben, eigentlich Exomonde geben. Wenn wir also herausfinden, dass es keine Exomonde gibt, würde das zeigen, dass es in unserem Sonnensystem etwas Einzigartiges gibt und dass in unserem Verständnis der Planetenentstehung etwas fehlt. Da wir derzeit nur über Leben auf der Erde Bescheid wissen, könnte uns das Verständnis des größeren Kontexts der planetaren Demografie und damit ein besseres Verständnis davon, wie häufig oder einzigartig unser Sonnensystem wirklich ist, dabei helfen, die Wahrscheinlichkeit von Leben außerhalb der Erde zu verstehen.“
Wie im Bereich der Exoplaneten sind auch bei der Erforschung von Exomonden unzählige wissenschaftliche Hintergründe und Disziplinen erforderlich, um große Datenmengen zu entschlüsseln, darunter Astrophysik, Informatik, Planetengeologie, Planetenatmosphären und Datenwissenschaft, um nur einige zu nennen. Darüber hinaus sind leistungsstarke Instrumente wie das bereits erwähnte Habitable Worlds Observatory erforderlich, um Exomonde zu erkennen, da sie in den Daten unendlich klein sind. Durch diese ständige Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und den Einsatz wichtiger Instrumente werden Wissenschaftler eines Tages in der Lage sein, die Existenz des ersten Exomondes im Kosmos zu bestätigen. Welchen Rat können die Forscher also angehenden Studenten geben, die Exomonde erforschen möchten?
„Es ist ein faszinierender und schnell wachsender Bereich“, sagt Dr. Kipping gegenüber Universe Today. „Wir sind endlich in der Ära, in der wir mit JWST Monde entdecken können, die denen im Sonnensystem ähneln. Darüber hinaus gibt es ein schnell wachsendes Interesse daran, Monde zu entdecken, die dem Sonnensystem sehr unähnlich sind, wie etwa Monde um frei schwebende Planeten, entweder mit JWST junger Systeme im Orion (googlen Sie beispielsweise JUMBOs) oder mit dem kommenden Roman-Teleskop mit Mikrolinsentechniken. Wir sind dabei, die Nachweisschwelle auf überzeugende Weise zu überschreiten.“
Wie werden uns Exomonde in den kommenden Jahren und Jahrzehnten helfen, unseren Platz im Universum besser zu verstehen? Nur die Zeit wird es zeigen, und deshalb betreiben wir Wissenschaft!
Und wie immer: Betreiben Sie weiterhin Wissenschaft und schauen Sie weiter nach oben!
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