Jüngste Beobachtungen von Exoplaneten enthüllten die Existenz einer großen Population massearmer Planeten mit ausgedehnten Wasserstoff-Helium-dominierten Atmosphären. Das Element Wasserstoff ist viermal leichter als Helium und entflieht daher - abhängig von der Masse des Planeten, seiner Umlaufbahn und der Strahlungsaktivität seines Sterns - verhältnismäßig einfach ins Weltall. Über lange Zeiträume kann es durch diesen Prozess dazu kommen, dass in extremen Fällen sogar eine reine Helium-Atmosphäre übrigbleibt. Um diese exotischen Atmosphären zu formen, muss ein Planet jedoch bereits innerhalb der Scheibe des Zentralgestirns eine bestimmte, mit der Erde vergleichbare Masse erreichen. Ansonsten wäre eine Wasserstoff- oder Helium-dominierte Atmosphäre gravitativ instabil und würde sich kurz oder lang zur Gänze ins Weltall verflüchtigen. Die Entdeckung massearmer Gesteinsplaneten mit ebensolchen primordialen Atmosphären innerhalb habitabler Zonen um Sterne würde demnach über deren Entstehungszeitskalen sowie über die Evolution der Strahlung des Sterns Aufschluss geben.

"Planeten, deren Masse unter jener der Erde liegt, verlieren ihre Ur-Atmosphäre", sagt Lammer.

"Bei unseren Untersuchungen haben wir herausgefunden, dass die angesammelte Ur-Atmosphäre innerhalb von hunderttausenden bis mehreren Millionen Jahren verloren geht, sofern die Masse des Planeten unter jener der Erde liegt. Massereichere Körper verlieren ihre primordiale Atmosphäre jedoch nicht, oder dieser Prozess kann mehrere hundert Millionen Jahre dauern", betont IWF-Gruppenleiter Helmut Lammer, Erstautor der Studie.

Untersucht wurde die Evolution der primordialen Atmosphären nach dem Verschwinden der planetenformenden Scheibe. Die Grazer Forscher haben sich dabei auf sonnenähnliche Sterne konzentriert, deren Strahlungsevolution im kurzwelligen Röntgen- und UV-Wellenlängenbereich in schwach aktiv, moderat aktiv und hoch aktiv eingeteilt wurde. Um die Verluste der Ur-Atmosphären für die unterschiedlichen Sternmodelle zu untersuchen, wurde ein hydrodynamisches Atmosphären-Modell für Wasserstoff um den Bestandteil Helium erweitert.

"Unser Modell zeigt auch, dass die Erde am Ende des protosolaren Nebels – etwa 4 Millionen Jahre nach Entstehung der Sonne – nicht zu ihrer vollständigen Größe angewachsen sein konnte. Wäre dem so, hätte unsere Erde nun eine dichte Helium-Atmosphäre und Leben, wie wir es kennen, wäre auf ihr wohl nicht möglich", sagt Ko-Autor Manuel Scherf vom IWF Graz. 

Die Forscher stellten fest, dass ein Planet, der je nach Strahlungsintensität des Sterns zwischen 95% und 125% der Erdmasse besitzt, Wasserstoff und Helium zur Gänze verliert. Für etwas größere Planetenmassen verhindert die Schwerkraft jedoch immer mehr den Verlust des schwereren Heliums, wohingegen der leichtere Wasserstoff noch immer entfliehen kann. Steigt die Planetenmasse weiter, kann auch das leichtere Gas nicht mehr entfliehen und beide verbleiben am Planeten.

Bemerkenswerterweise zeigen die Resultate der Studie, dass ein Planet, der gegen Ende der Scheibe des Zentralgestirns zu einer Erdmasse heranwächst und sich in der habitablen Zone eines schwach aktiven, sonnenähnlichen Sterns befindet, beträchtliche Mengen an Helium und Wasserstoff an sich binden kann. Etwa 200 bar Helium und 80 bar Wasserstoff würden auf dem Planeten für Jahrmilliarden zurückbleiben.  Das entspricht dem 280-fachen Druck unserer heutigen Atmosphäre, dem dreifachen Druck der Venus-Atmosphäre oder dem Druck in einer Ozeantiefe von etwa 3 Kilometern. Wäre die Erde also bereits innerhalb der ersten 4 Millionen Jahre zu ihrer vollständigen Größe angewachsen, hätte sie noch heute eine dichte, Helium-dominierte Atmosphäre und komplexes Leben hätte sich auf ihrer Oberfläche wohl kaum entwickeln können. "Eine hohe Stimme wäre in diesem Fall dabei das kleinste Problem für die Entstehung und Evolution der Menschheit", schmunzelt Lammer.

Um diese wissenschaftlichen Fragestellungen beantworten zu können, braucht es hochsensible und langlebige Instrumente, die im Rahmen des ESA-Wissenschaftsprogramms entwickelt werden. Nachhaltigkeit ist hier ein integraler Teil. Die zukünftigen Entdeckungen von Weltraumobservatorien wie PLATO oder HWO werden nicht nur unser Verständnis der Entstehungsgeschwindigkeit erdähnlicher Exoplaneten verbessern, sondern auch neue Fragen zur Habitabilität erdähnlicher Planeten aufwerfen. Die Charakterisierung ihrer Atmosphären wird darüber Aufschluss geben, wie häufig Helium-dominierte Ur-Atmosphären vorkommen. Diese Häufigkeit wird dann wiederum neue Erkenntnisse über die Entstehung der Erde, die Entwicklung von erdähnlichen Atmosphären und die Existenz außerirdischen Lebens bringen.