Wasserverteilung auf Planeten ist ganz anders als gedacht

Die Wasserverteilung auf anderen Planeten und Monden hilft nicht nur, besser zu verstehen, wie diese entstanden sind, sondern auch, ob sie möglicherweise eines Tages die Besiedlung von Menschen unterstützen könnten. Die Wissenschaft sogenannter Exoplaneten, also Planeten, die außerhalb unseres Sonnensystems um einen anderen Stern kreisen, stützte sich bisher immer auf ein ihr bekanntes Planetenmodell: Demnach ist bekannt, dass die Erde einen Kern aus Eisen hat, der von einem Mantel aus Silikatgestein umhüllt ist. An der Oberfläche befinden sich die ausgedehnten Wassermassen (Ozeane). Doch inzwischen wissen Forschende, dass Planeten wesentlich komplexer aufgebaut sind. 

Neue Ergebnisse der Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH) und der Princeton University haben nun ergeben, dass sich der Großteil des Wassers nicht an der Oberfläche, sondern im Zentrum der Himmelskörper befindet. Diese Entdeckung beeinflusst maßgeblich die Einschätzung der Bewohnbarkeit ferner Welten, wie Simulationen belegen.

Planeten enthalten mehr Wasser als angenommen

Um die Forschungsergebnisse zu erläutern, erklärt Caroline Dorn, Professorin für Exoplaneten an der ETH Zürich den Entstehungsprozess des Eisenkerns: „Anfänglich schweben zahlreiche Eisentröpfchen in der heißen Magmasuppe.“ Das in dieser Suppe gelöste Wasser verbindet sich bevorzugt mit den Eisentröpfchen und sinkt mit ihnen zum Kern. „Die Eisentröpfchen verhalten sich dabei wie ein Fahrstuhl, der das Wasser nach unten transportiert.“

Dieses Phänomen war bisher nur für moderate Drücke, wie sie im Erdinneren herrschen, bekannt. Für größere Planeten mit höheren Innendrücken fehlten Erkenntnisse. „Ein Hauptergebnis unserer Studie zeigt: Je massereicher der Planet, desto stärker neigt das Wasser dazu, mit den Eisentröpfchen zum Kern zu sinken“, sagt Dorn. Unter bestimmten Bedingungen kann Eisen bis zu 70-mal mehr Wasser aufnehmen als Silikate. Im Kern zerfällt das Wasser aufgrund des enormen Drucks in Wasserstoff und Sauerstoff.

Die Studie wurde durch frühere Untersuchungen zum Wassergehalt der Erde angestoßen, die vor vier Jahren zu dem überraschenden Resultat führte: Die Ozeane der Erde enthalten nur einen Bruchteil der Gesamtwassermenge. Simulationen haben gezeigt, dass im Erdinneren mehr als 80 Erdozeane verborgen sein könnten. Diese Berechnungen basieren auf den Bedingungen, die auf der jungen Erde herrschten. Dazu werden sie durch Experimente und seismologische Messungen gestützt.

Wasser als Grundvoraussetzung für Leben auf Planeten

Die Wasserverteilung spielt eine entscheidende Rolle beim Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Planeten. Wasser, das in den Kern gesunken ist, bleibt dort dauerhaft eingeschlossen. Im Gegensatz dazu kann das im Magma-Ozean des Mantels gelöste Wasser während der Abkühlung des Erdmantels ausgasen und an die Oberfläche gelangen. „Entdeckt man Wasser in der Atmosphäre eines Planeten, deutet dies auf wesentlich größere Mengen im Inneren hin“, sagt Dorn. Das James-Webb-Weltraumteleskop, das seit zwei Jahren Daten aus dem All zur Erde sendet, sucht gezielt nach solchen Hinweisen. Es kann Moleküle in der Atmosphäre von Exoplaneten aufspüren. „Nur die Zusammensetzung der oberen Atmosphäre von Exoplaneten lässt sich direkt messen“, sagt die Forscherin. „Wir wollen in unserer Gruppe die Verbindung von der Atmosphäre zum tiefen Inneren der Himmelskörper machen.”

Besonders interessant sind die neuen Daten des Exoplaneten TOI-270d. Dorn, die an der entsprechenden Publikation beteiligt war, erklärt: „Hier fanden wir Hinweise auf Wechselwirkungen zwischen dem inneren Magma-Ozean und der Atmosphäre.“ Auf ihrer Liste spannender Forschungsobjekte steht auch der Planet K2-18b, der Schlagzeilen machte, weil er möglicherweise Leben beherbergen könnte. Schließlich gilt Wasser als eine Grundvoraussetzung für die Entstehung von Leben. 

Wasserwelten bieten lebensfreundliche Bedingungen

Es wurde lange darüber spekuliert, ob wasserreiche Supererden – also Planeten mit mehreren Erdmassen, deren Oberfläche vollständig von einem tiefen, globalen Ozean bedeckt ist – bewohnbar sein könnten. Frühere Berechnungen ließen allerdings vermuten, dass ein Überschuss an Wasser das Entstehen von Leben erschweren könnte.

Die aktuelle Studie kommt hingegen zu dem Schluss, dass sogar Planeten mit einem relativ hohen Wasseranteil das Potenzial besitzen, erdähnliche, lebensfreundliche Bedingungen zu entwickeln. Denn anders als bisher vermutet, befindet sich der Großteil des Wassers auf Supererden nicht auf der Oberfläche, sondern eingeschlossen im Kern.