Bewohnbare Zone

Als habitable Zone (auch Lebenszone oder Ökosphäre) bezeichnet man im Allgemeinem den Abstandsbereich, in dem sich ein Planet von seinem Zentralgestirn aufhalten muss, damit Wasser dauerhaft in flüssiger Form – als Voraussetzung für Leben, wie wir es kennen – auf der Oberfläche vorliegen kann. Gelegentlich werden auch Bereiche innerhalb von Galaxien in habitable und nicht-habitable Zonen unterteilt.

Diese Lebenszone wird auch manchmal der "grüne Gürtel", Ecosphere oder auch die "Goldilocks Zone"^[1] genannt.

Stellare habitable Zonen

Die Größe theoretisch bewohnbarer Zonen bei Sternen mit verschiedener Masse.

Primär hängt dieser Bereich von der Temperatur und Leuchtkraft des Sterns ab, um den der Planet kreist. Nur innerhalb eines bestimmten Abstandbereichs ist die Energie, die im Abstand des Planeten ankommt in einem Bereich, so dass die daraus resultierende Oberflächentemperatur flüssiges Wasser erlaubt. Des Weiteren spielt die Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere die Albedo des Planeten eine große Rolle. Moderne Berechnungen berücksichtigen auch die Entwicklung der Planetenatmosphäre wie durch den atmosphärischen und teilweise rein chemischen Treibhauseffekt hervorgerufen.

1959 beschrieben die Physiker Philip Morrison und Giuseppe Cocconi diese Zone in einem SETI-Forschungsbericht. 1961 veröffentlichte Frank Drake die nach ihm benannte Drake-Gleichung.

Die Lebenszone kann demnach aus der Leuchtkraft des Sterns und seiner Größe berechnet werden. Den Mittelpunkt dieser Zone eines beliebigen Sternes kann man mit folgender Gleichung berechnen:

$d_{AE} = \sqrt {L_{stern}/L_{sonne}}$

wobei

$d_{AE} \,$ ist der Durchschnittsradius der bewohnbaren Zone in AE,

$L_{stern} \,$ ist die bolometrische Leuchtkraft eines Sternes, und

$L_{sonne} \,$ ist die bolometrische Leuchtkraft der Sonne.

Als Beispiel ein Stern mit 25% Sonnenhelligkeit. Das Zentrum der Ökosphäre würde etwa 0,5 AE vom Stern entfernt sein, bei einem Stern doppelt so hell wie die Sonne wäre der Abstand 1,4 AE. Das ist das Ergebnis des Abstandsgesetzes der Lichthelligkeit. Der mittlere Bereich der bewohnbaren Zone ist so definiert, dass ein Exoplanet mit vergleichbarer Atmosphäre der Erde (Aufbau und Dichte) in etwa der globalen Durchschnittstemperatur der Erde entspricht.

Da sich sowohl der Stern, als auch der Planet im Laufe der Zeit verändern, ändert sich auch die habitable Zone. Soll sich Leben in einer Form wie unserer auf einem Planeten entwickeln, muss dieser nicht nur im richtigen Abstand dort sein, sondern die Umstände dürfen sich auf entsprechend langen Zeitskalen auch nicht ändern, so dass sich die habitable Zone nicht in einen anderen Abstand verschiebt. Normalerweise nimmt man einen Mindestzeitraum von 4-6 Milliarden Jahren an. Will man den zeitlichen Aspekt hervorheben, spricht man auch von der kontinuierlichen habitablen Zone; meist meint man aber auch in der Kurzform die kontinuierliche.

Die Ökosphäre reicht in unserem Sonnensystem von 0,95 bis 1,37 AE Abstand zur Sonne.^[2] In unserem Sonnensystem befindet sich nur die Erde innerhalb dieses Gürtels um die Sonne. Der Mars liegt knapp außerhalb, und die Venus ist bereits der Sonne zu nahe. Auf dem innersten Planeten Merkur wären auch bei anderer Planetenbeschaffenheit die Temperaturen jedoch immer so hoch, dass Wasser verdampfen würde, in der Entfernung des Jupiters würde wiederum kein Planet genug Energie erhalten, um Wasser schmelzen zu lassen. Ob die Erde im Abstand von Venus und Mars noch Leben beherbergen könnte ist in der Forschung nicht klar bzw. ändert sich je nach Modellrechnungen. Venus und Mars selbst haben jedoch deutlich andere Atmosphären als die Erde und die derzeitigen Bedingungen lassen dauerhaftes Leben, wie es der habitablen Zone zugrunde liegt unwahrscheinlich erscheinen. Da die Leuchtkraft der Sonne langsam zunimmt, verschiebt sich die Ökosphäre immer mehr in Richtung des äußeren Sonnensystems.

Des Weiteren geht man davon aus, dass nur um solche Sterne überhaupt habitable Zonen möglich sind, die eine ähnliche Größe wie unsere Sonne haben. Bei wesentlich größeren Sternen ist die Lebensdauer zu kurz, als dass eine habitable Zone mindestens vier Milliarden Jahre andauern kann (z.B. leben Sterne mit dem 3-4 fachen der Sonnenmasse schon nur etwa eine Milliarde Jahre). Orange Zwerge würden sich gut eignen, zumal ihre Verweildauer von 15 bis 30 Mrd. Jahre in der Hauptreihe eventuellem Leben viel Zeit zur Entwicklung geben würde. Bei zu kleinen Sternen dagegen läge die Zone ausreichender Energie so nahe an dem Stern, dass ein anderer Effekt auftreten würde: Planeten in diesem Bereich werden in ihrer Bewegung synchronisiert, d. h. mit der Zeit drehen sie bei einem Umlauf um das Zentralgestirn diesem immer dieselbe Seite zu (so wie der Mond beim Umlauf um die Erde). Dadurch wäre eine Seite ständig überhitzt, die andere unterkühlt und das Klima von heftigsten Stürmen gekennzeichnet.

Das Konzept der habitablen Zone macht nur eingeschränkte Annahmen, unter welchen Bedingungen Leben entstehen kann. Die Hauptvoraussetzung ist flüssiges Wasser. Wasser spielt für das Leben eine zentrale Rolle als Lösungsmittel für biochemische Reaktionen. Problematisch ist jedoch, dass das klassische Konzept der habitablen Zone auf rein atmosphärischen Annahmen basiert. Kaum berücksichtigt werden bisher mögliche Lebensräume, die zwar genügend Energie erhalten, aber nicht atmosphärisch sind. Dies gilt insbesondere für den Jupiter-Mond Europa, der durch die Gezeitenreibung so viel Energie aufnehmen könnte, dass unter der festen Mondoberfläche flüssiges Wasser existieren könnte, oder für mögliche untermarsianische Seen auf dem Mars, über die spekuliert wird.

Während der etwa 20 Lichtjahre von der Erde entfernte Gliese 581 c, der zweite Planet des roten Zwerges Gliese 581, inzwischen seinen Status als ein eventueller habitabler Planet eingebüßt hat,^[3] ist sein planetarer Bruder Gliese 581 d ins Zentrum der Aufmerksamkeit gerückt. Der Planet mit der achtfachen Erdmasse umrundet seinen Stern binnen 84 Tagen einmal. Obwohl dieser eigentlich außerhalb der habitablen Zone liegt glauben einige Wissenschaftler, dass die Möglichkeit besteht, dass dieser Planet infolge eines Treibhauseffektes flüssiges Wasser beherbergen könnte. Damit wäre er ein möglicher Kandidat für einen Planeten dessen Bedingungen die Entstehung von Leben ermöglicht haben könnten. Diese Annahmen beruhen jedoch auf Modellrechnungen und nicht auf direkten Beobachtungen.

Galaktische habitable Zonen

Inzwischen werden auch Untersuchungen angestellt, wo in einer Galaxie Leben nach unseren Vorstellungen möglich ist. Das Hauptkriterium hierzu ist die Sterndichte in der jeweiligen Region einer Galaxie. Befindet sich ein Stern mit einem Planeten zu dicht an einer Supernovaexplosion, wird dadurch die Atmosphäre des Planeten zu sehr gestört, als dass sich Leben dauerhaft entwickeln könnte. Daher wird davon ausgegangen, dass der mittlere Abstand eine bestimmte Mindestgröße haben muss. Des Weiteren müssen auch genügend Elemente in einer Region einer Galaxie vorhanden sein, damit Leben entstehen kann. Die meisten Elemente mit größeren Ordnungszahlen als Lithium entstehen jedoch erst im Laufe der Zeit durch Kernfusionsprozesse, die im Inneren der Sterne ablaufen, und beim Tod der Sterne ins interstellare Medium abgegeben werden und sich erst dann in Planeten sammeln können.

Für Spiralgalaxien wie unsere Milchstraße in etwa dem Alter der Milchstraße bedeutet das, dass die galaktische habitable Zone einen Ring um das Zentrum der Milchstraße bildet. Innerhalb dieses Rings ist die Sterndichte zu hoch, außerhalb ist die Dichte zu gering, als dass genug Sterne schon genug schwere Elemente produziert haben. Im Laufe der Zeit vergrößert sich der Bereich jedoch nach außen.

Weblinks

• Was ist eine Lebenszone?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt)
• Forschungsseite von James Kasting, einem Wissenschaftler der sich intensiv mit stellaren habitablen Zonen beschäftigt (engl.)
• Margaret C. Turnbull, Jill C. Tarter: Target Selection for SETI. I. A Catalog of Nearby Habitable Stellar Systems. The Astrophysical Journal Supp. Ser.2003, online

Einzelnachweise

1. ↑ Der Begriff Goldilocks Zone leitet sich ab von dem englischen Märchen "Goldilocks and the Three Bears" (dt. Goldlöckchen und die drei Bären), in dem Goldilocks im Haus der Bären von den drei Porridge-Töpfen kostet. Während der Porridge im ersten Topf zu heiß und der im zweiten zu kalt ist, ist der im dritten Topf "weder zu heiß, noch zu kalt, sondern genau richtig" (engl. ... it's neither too hot nor too cold, but "just right").
2. ↑ Matthias Meier: Kurz vor dem Ende blüht das Leben. Final-Frontier.ch. Abgerufen am 13. Mai 2008.
3. ↑ SPACE.com: Hopes Dashed for Life on Distant Planet 18. Juni 2007