Künstlerische Darstellung des Planetensystems um Gliese 581

Der Erdähnlichkeitsindex

Allein mit dem Weltraumteleskop Kepler haben Astronomen über viertausend Kandidaten für Planeten aufgespürt, die sich außerhalb unseres Sonnensystems befinden. Insgesamt rund 1800 extrasolare Planeten gelten bisher als bestätigt. Um die Lebensbedingungen auf diesen Welten abzuschätzen, führte ein internationales Forscherteam um Dirk Schulze-Makuch von der University of Washington in Pullmann den sogenannten Erdähnlichkeitsindex oder Earth Similarity Index, kurz ESI, ein.

Dazu betrachten die Wissenschaftler verschiedene Eigenschaften, die für die meisten Exoplaneten bekannt sind: die Oberflächentemperatur, die Fluchtgeschwindigkeit – so schnell müsste ein Objekt sein, um der Gravitationsanziehung seines Planeten zu entkommen –, der Radius, die Masse und die Dichte. „Diese Größen haben wir gewählt, da wir diese Messwerte haben und sie eine gewisse Aussagekraft besitzen“, erläutert Schulze-Makuch. „Dennoch gäbe es bessere Parameter, an deren Daten wir nicht rankommen.“

In einer Tabelle ist die Anzahl der Planeten für die ESI-Werte von Null bis Zehn aufgelistet.
Planeten sortiert nach ihrem Erdähnlichkeitsindex

So sagt zum Beispiel die Fluchtgeschwindigkeit indirekt etwas über die Zusammensetzung der Atmosphäre aus. Ein Kriterium für einen habitablen, also lebensfreundlichen, Planeten sind Gase wie Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid, die auch auf unserer Erde zu finden sind. Ist die Fluchtgeschwindigkeit eines Planeten nun aber sehr gering, können viele Gase einfach in den Weltraum entweichen anstatt sich in der Atmosphäre anzusammeln. Eine direkte Messung der Atmosphärengase wäre viel aussagekräftiger, ist jedoch mit heutiger Technik nicht machbar.

Um Pflanzen und komplexeren Lebensformen eine geeignete Umwelt zu bieten, sollten die Oberflächentemperaturen auf einem lebensfreundlichen Exoplaneten zwischen null und fünfzig Grad Celsius liegen. Doch auch diese Temperatur können die Wissenschaftler nicht direkt messen. Stattdessen schätzen sie das Klima über die Größe des Planeten und seine Entfernung zu seinem Zentralstern ab.

Anhand der mittleren Dichte eines Planeten, die sich aus Radius und Masse berechnen lässt, kann auf die innere Struktur des Himmelskörpers geschlossen werden. Bei erdähnlichen Planeten handelt es sich um sogenannte Gesteinsplaneten, die überwiegend aus festen Bestandteilen bestehen. Die innere Struktur erlaubt wiederum Aussagen über den Oberflächendruck, die Oberflächentemperatur und die Jahreszeiten eines Planeten, die für Astrobiologen von großem Interesse sind. Damit erlaubt der ESI eine erste Kategorisierung der Exoplaneten.

Erste Kategorisierung

Die Formel hinter dem Erdähnlichkeitsindex liefert schließlich eine Zahl zwischen Null und Eins – je höher der Wert, desto mehr gleicht ein Himmelskörper unserer Welt. Ab einem Index von 0,8 sprechen die Forscher von einem erdähnlichen Planeten. Doch das heißt noch längst nicht, dass dort auch tatsächlich Leben existiert. „Es kann sein, dass wir irgendwo einen Gesteinsplaneten mit Wasser und einer schönen Atmosphäre drumherum entdecken, aber dort trotzdem kein Leben vorhanden ist, weil die Bedingungen für den Ursprung des Lebens einfach nicht gegeben waren“, so Schulze-Makuch. Und vorherzusagen, ob auf einem Exoplaneten die richtigen Voraussetzungen erfüllt sind, sei nahezu unmöglich.

In dieser Grafik sind einige Planeten unseres Sonnensystems sowie erdähnliche Exoplaneten aufgelistet. Die horizontale Achse gibt dabei die innere Zusammensetzung im Vergleich zur Erde an, während die vertikale Achse die Oberfläche der Planeten im Vergleich zur Erde beschreibt.
Bekannte Planeten und ihr Erdähnlichkeitsindex

Gerade für weit entfernte Exoplaneten lassen sich die verschiedenen Parameter nur schwer bestimmen. Um sie mit der Erde zu vergleichen, bleibt den Wissenschaftlern meist nur Masse und Radius des Exoplaneten sowie die Strahlungsenergie des Zentralsterns. Und hin und wieder ist man sich nicht einmal sicher, ob die beobachteten Himmelskörper tatsächlich real sind. „Mein Liebling war beispielsweise Gliese 581 d – eine Supererde, zwanzig Lichtjahre entfernt“, berichtet Schulze-Makuch von einem 2007 entdeckten Gesteinsplaneten. „In unserer Umlaufbahn wäre dieser Planet sicher habitabel gewesen. Doch unglücklicherweise stellt man nun infrage, ob dieser Exoplanet überhaupt existiert.“ Die Suche nach einer zweiten Erde und nach extraterrestrischem Leben basiert also noch sehr auf Spekulationen. „Wir sind gerade erst am Anfang, aber es wird auf alle Fälle besser“, betont der Forscher.

Um die Möglichkeit von Leben auf einem Planeten zu bewerten, haben die Wissenschaftler deshalb den Planetary Habitability Index, kurz PHI, eingeführt. In diesen gehen weitere Eigenschaften ein, wie die auf dem Planeten vorhandenen chemischen Elemente, der Flüssigkeitsgehalt, das Magnetfeld und die Plattentektonik. Der PHI wäre damit sehr viel aussagekräftiger als der ESI. Es gibt nur einen entscheidenden Haken: Aufgrund der großen Distanz zur Erde können Astronomen all diese Werte auf extrasolaren Planeten noch nicht messen.

 

Die Formel

Astronomen vergleichen verschiedene Eigenschaften von extrasolaren Planeten – wie den Radius, die Masse oder die Temperatur – mit denen der Erde, um die Lebensbedingungen auf diesen fernen Welten abzuschätzen.

Die Eigenschaften eines Exoplaneten werden mit den Eigenschaften der Erde verglichen, um den Erdähnlichkeitsindex zu berechnen. Dies geschieht über folgende Formel: $$ESI_{x_i}=\left(1-\left\vert\frac{x_i-x_{i0}}{x_i+x_0}\right\vert\right)^{w_i}$$ wobei \(x_i\) die Eigenschaften des Planeten, beispielsweise die Oberflächentemperatur, und \(x_{i0}\) die Eigenschaften der Erde bezeichnet. Da die einzelnen Eigenschaften nicht gleich stark in die Formel eingehen sollen, wird die Bedeutung der einzelnen Eigenschaften über den Gewichtungsexponent \(w_i\) angegeben. Für den Radius beträgt dieser 0,57, für die Dichte 1,07, für die Fluchtgeschwindigkeit 0,7 und für die Oberflächentemperatur 5,58.

Der Erdähnlichkeitsindex lässt sich je nach betrachteten Eigenschaften weiter unterteilen. Zur Beschreibung der inneren Zusammensetzung gehen lediglich Radius und Dichte ein:

$$ESI_{\mathrm{Innerer Aufbau}}= \sqrt{ESI_{\mathrm{Radius}} \times ESI_{\mathrm{Dichte}}}$$

Für die Beschreibung der Planetenoberfläche werden nur die Temperatur und die Fluchtgeschwindigkeit betrachtet:

$$ESI_{\mathrm{Oberfläche}}= \sqrt{ESI_{\mathrm{Temperatur}} \times ESI_{\mathrm{Fluchtgeschwindigkeit}}}$$

Möchte man alle Eigenschaften berücksichtigen, werden die Werte erneut multipliziert:

$$ESI_{\mathrm{Gesamt}}= \sqrt{ESI_{\mathrm{Innerer Aufbau}}\times ESI_{\mathrm{Oberfläche}}}$$