Oberflächenbedingungen einsamer (Schurken-)Planeten

Schurkenplaneten haben zwei Entstehungsmechanismen: Unabhängige Entstehung und Ausstoß.

Ein unabhängig gebildeter Schurkenplanet wäre von selbst aus dem Nebelmaterial kondensiert und nicht aus der protoplanetaren Scheibe eines jungen Sterns entstanden. Wir verstehen, wie einzelne Objekte mit Sternmasse kondensieren und die durch Beobachtung getestet wurden, aber mir sind keine getesteten Studien bekannt, die die Rate vorhersagen, mit der sich erdmassereiche Objekte unabhängig voneinander bilden. (Wir haben sicherlich keine große Population von ihnen beobachtet, und die durchgeführten Gravitations-Mikrolinsenstudien hätten sie entdeckt, wenn sie existiert hätten.) Aber da Braune Zwerge ziemlich häufig sind, scheint es sicher anzunehmen, dass es eine Population gibt von Super-Jupitern, die durch direkte Kondensation entstanden sind.

Die durch Auswurf gebildeten Planeten sollten in der Größe von Meteoren bis hin zu Super-Jupitern reichen und sollten im Großen und Ganzen der Größenverteilung von gebundenen Planeten ähneln. (Wenn kleine Planeten dazu neigen, näher an ihrem Stern zu sein, kann es zu Vorurteilen gegen ihren Ausstoß kommen.)

Planeten werden meistens früh im Leben eines Systems ausgestoßen, aber es kann zu jedem Zeitpunkt im Leben eines Sterns passieren – die Dynamik eines Planetensystems wird nie vollkommen stabil. Und wenn es einen nahen Vorbeiflug eines anderen Sterns oder eines großen Schurkenplaneten gibt, können Auswürfe selbst nach Milliarden von Jahren der Stabilität auftreten. (Siehe Fritz Leibers „A Pail of Air“!) Aber die Population von ausgestoßenen Planeten ist wahrscheinlich sehr stark gewichtet gegenüber Planeten, die kurz nach ihrer Entstehung ausgestoßen werden.

Die Unterscheidung zwischen unabhängig gebildeten und ausgestoßenen Planeten ist wichtig, da ein Planet, wenn er sich bildet, durch die bei der Formation freigesetzte Gravitationsenergie sehr heiß ist und höchstwahrscheinlich anfänglich der Entstehung von Leben abträglich ist. Aber es kühlt ab (die Oberfläche viel schneller als das Innere) und schließlich kann sich Leben bilden.

Wenn der Planet in der Umlaufbahn um einen Stern verbleibt, fällt die Oberflächentemperatur asymptotisch auf eine Gleichgewichtstemperatur ab, bei der die Summe der Strahlungszufuhr des Sterns und der Wärmeleckage aus dem noch heißen Inneren die vom Planeten in den Weltraum abgegebene IR-Strahlung ausgleicht. Häufig liegt das in einem Temperaturbereich, in dem sich Leben auf der Oberfläche bilden kann.

Sobald ein Planet ausgestoßen wird, wird die Gleichgewichtstemperatur viel niedriger sein. Für die Erde zum Beispiel, die 4,5 GY alt ist, entlädt die Sonnenstrahlung 3000-mal so viel Energie auf die Erdoberfläche wie Lecks aus dem Inneren (siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_internal_heat_budget für Details. ) Die Zeit, die ein erdgroßer Schurkenplanet benötigt, um auf die aktuelle Temperatur der Erde abzukühlen, liegt in der Größenordnung von 10 MY und danach würde er einfach weiter auf eine Oberflächentemperatur in der Größenordnung von 30 K abkühlen.

Die Frage der Lebensbildung auf einem erdähnlichen Planeten ist also eine, ob es Zeit gibt, bevor die Oberflächenschichten fest gefrieren, da dies die Entstehung von Leben zu stoppen scheint.

Für größere Planeten, die (a) langsamer abkühlen und (b) wahrscheinlich genug mehr Wasser haben, um unter der Oberfläche flüssige Ozeane zu haben, sind alle Wetten abgeschlossen, selbst nachdem die Oberfläche fest gefroren ist.

Für Planetenkörper, auf denen Leben Zeit hat, sich zu bilden, wäre die einzige Energiequelle die Wärme, die entweder direkt aufgrund des Wärmegradienten (einer sehr diffusen Quelle) oder indirekt aus dem Äquivalent der Tiefseeöffnungen der Erde aus dem Inneren entweicht. Letzteres erscheint wahrscheinlicher, da die steileren Wärme- und chemischen Potentialgradienten viel einfacher auszunutzen sind.

Hal Clement schrieb zwei wissenschaftlich hervorragende Geschichten, die auf solchen Planeten spielen. In Star Light arbeiten Außerirdische mit hoher Schwerkraft mit Menschen zusammen, um die Oberfläche von Dhrawn, einem Braunen Zwerg, zu erkunden. Die andere war Kurzgeschichte und zeigte Menschen, die auf intelligentes Leben trafen, das auf einem Schurkenplaneten lebte, der näher an der Erde liegt. (Ich glaube, es war „Sortie“ und Fortsetzungen, aber ich bin mir nicht sicher.)

Auf jeden Fall scheint es wahrscheinlich, dass es eine große Vielfalt verschiedener Arten von Schurkenplaneten gibt, die potenziell Leben unterstützen könnten.

David Stevenson hat die Theorie aufgestellt, dass ein gefährlicher Planet mit beträchtlichem Wasserstoff in der Atmosphäre ausgestoßen werden könnte, was zu einer Hochdruck-Wasserstoffatmosphäre führen würde. Dies ist für Infrarot sehr undurchlässig und könnte möglicherweise das bisschen intern erzeugte Wärme gut genug halten, dass Wasser auf der Oberfläche existieren könnte. Hier ist eine Zusammenfassung dieses Papiers: Life-sustaining Planets in Interstellar Space .

Während der Planetenentstehung können Gesteins- und Eisembryos in der Größenordnung der Erdmasse gebildet werden, von denen einige aus dem Sonnensystem ausgestoßen werden können, wenn sie gravitativ von Urriesenplaneten streuen. Diese Körper können an molekularem Wasserstoff reiche Atmosphären zurückhalten, die beim Abkühlen einen Grunddruck von 102 bis 104 bar haben können. Die druckinduzierte Opazität von H2 im fernen Infrarot kann diese Körper daran hindern, interne radioaktive Wärme abzuleiten, außer durch die Entwicklung einer ausgedehnten adiabatischen (ohne Verlust oder Gewinn von Wärme) konvektiven Atmosphäre. Das heißt, obwohl die effektive Körpertemperatur etwa 30 K beträgt, kann seine Oberflächentemperatur den Schmelzpunkt von Wasser überschreiten. Solche Körper können daher Wasserozeane haben, deren Oberflächendruck und -temperatur denen entsprechen, die an der Basis der Ozeane der Erde gefunden werden.

Eine weitere derartige Abhandlung ist: Constraints on the free-floating planets support water life von Viorel Badescu.