Planetensysteme entstehen in ihrer frühen Phase oft unter instabilen Bedingungen. Kommen sich junge Planeten zu nahe, können sie sich gegenseitig aus ihrer Umlaufbahn schleudern. Zurück bleiben sogenannte freifliegende Planeten (Free-Floating Planets, FFP), die ohne Stern durch die Galaxie wandern. Eine frühere Arbeit der LMU-Physikerin Dr. Giulia Roccetti zeigte, dass solche ausgestoßenen Gasriesen dabei nicht zwangsläufig alle ihre Monde verlieren.
Gezeitenheizung hält Ozeane flüssig
Der Auswurf verändert jedoch die Umlaufbahnen der Monde. Sie werden stark elliptisch, sodass sich ihr Abstand zum Planeten ständig verändert. Die daraus entstehenden Gezeitenkräfte verformen den Mondkörper rhythmisch, pressen sein Inneres zusammen und erzeugen durch Reibung Wärme. Diese sogenannte Gezeitenheizung kann ausreichen, um auf der Oberfläche flüssige Wasserozeane zu erhalten – selbst ohne die Energie eines Sterns und in der Kälte des interstellaren Raums.
Wasserstoff als stabiler Wärmespeicher
Ob diese Wärme an der Oberfläche erhalten bleibt, entscheidet die Atmosphäre. Kohlendioxid wirkt auf der Erde als effektives Treibhausgas. Frühere Studien zeigten, dass Kohlendioxid auf Exomonden lebensfreundliche Bedingungen über Zeiträume von bis zu 1,6 Milliarden Jahren stabilisieren könnte. Unter den extrem niedrigen Temperaturen freifliegender Systeme würde Kohlendioxid jedoch kondensieren, sodass die Atmosphäre ihre Schutzwirkung verliert und Wärme entweichen kann.
Das Forschungsteam aus den Bereichen Astro- und Biophysik sowie Astrochemie untersuchte daher wasserstoffreiche Atmosphären als alternative Wärmespeicher. Molekularer Wasserstoff ist zwar für Infrarotstrahlung weitgehend transparent. Unter hohem Druck tritt jedoch ein entscheidender physikalischer Effekt auf: die kollisionsinduzierte Absorption. Dabei bilden kollidierende Wasserstoffmoleküle kurzzeitig Komplexe, die Wärmestrahlung aufnehmen und in der Atmosphäre zurückhalten können. Gleichzeitig bleibt Wasserstoff selbst bei sehr niedrigen Temperaturen stabil.
Parallelen zur frühen Erde
Die Ergebnisse liefern auch neue Hinweise auf die Entstehung von Leben. „Die Zusammenarbeit mit dem Team von Prof. Braun hat uns geholfen zu erkennen, dass die Wiege des Lebens nicht unbedingt eine Sonne benötigt“, sagt David Dahlbüdding, Doktorand an der LMU und Erstautor der Studie. „Wir haben eine klare Verbindung zwischen diesen fernen Monden und der frühen Erde entdeckt, wo hohe Wasserstoffkonzentrationen durch Asteroideneinschläge die Voraussetzungen für Leben geschaffen haben könnten.“
Gezeitenkräfte könnten dabei nicht nur Wärme liefern, sondern auch chemische Entwicklungsprozesse antreiben. Durch die periodische Verformung entstehen lokale Nass-Trocken-Zyklen, bei denen Wasser verdunstet und erneut kondensiert. Solche Zyklen gelten als wichtiger Mechanismus für die Bildung komplexer Moleküle und könnten entscheidende Schritte auf dem Weg zur Entstehung von Leben ermöglichen.
Lebensfreundliche Monde im interstellaren Raum
Freifliegende Planeten gelten als häufig. Schätzungen zufolge könnte es in der Milchstraße mindestens so viele dieser „nomadischen“ Planeten geben wie Sterne. Ihre Monde könnten daher langfristig stabile Lebensräume darstellen. Die neuen Ergebnisse erweitern damit das Spektrum möglicher lebensfreundlicher Umgebungen erheblich – und zeigen, dass Leben möglicherweise selbst in den dunkelsten Regionen der Galaxie entstehen und bestehen kann.
Kontakt:
David Dahlbüdding
Ludwig-Maximilians-Universität München / Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
E-Mail: ddahlb(at)mpe.mpg.de
Prof. Dr. Barbara Ercolano
Ludwig-Maximilians-Universität München / Exzellenzcluster ORIGINS
E-Mail: ercolano(at)usm.lmu.de
Dr. Tommaso Grassi
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik / Exzellenzcluster ORIGINS
E-Mail: tgrassi(at)mpe.mpg.de
Prof. Dr. Dieter Braun
Ludwig-Maximilians-Universität München / Excellenzcluster ORIGINS
E-Mail: Dieter.Braun(at)physik.uni-muenchen.de
