Flammendes Finale

Der Weltuntergang kommt in 7,59 Milliarden Jahren. Dann stürzt die glühende Erde in die sterbende Sonne. Schon viel früher verdampfen die Ozeane, und aus der Erde wird eine bizarre Welt am Sonnenrand. Dass der Erde ein feuriges Finale droht, wissen Astronomen schon seit vielen Jahrzehnten. Denn die sterbende Sonne wird sich vor ihrem Ende zu einem Roten Riesenstern aufblähen und das rösten, was bis dahin noch von unserem Planeten übrig ist. Ob die Erde völlig vom Flammenmeer der Sonne abgefackelt wird und darin versinkt – ein ganz wörtlich zu nehmender Weltuntergang – oder aber als verkohlter Rest übrig bleibt, war seit vielen Jahren umstritten. Neue Forschungen haben die hitzige Kontroverse jetzt entschieden und gezeigt: In 7,59 Milliarden Jahren ist Schluss. Die Natur sorgt für eine Feuerbestattung des Blauen Planeten im Friedhof der Sonne. Schon vorher wird es ungemütlich. Geowissenschaftler und Klimaforscher haben inzwischen recht genaue Vorstellungen, was in ferner Zukunft auf und mit der Erde geschieht. Das Leben hat seine Halbzeit längst überschritten und stirbt in den nächsten 1,6 Milliarden Jahren aus, wie im folgenden Beitrag „Die Letzten werden die Ersten sein” beschrieben. Dann gibt es keine Zeugen mehr für die geologischen Veränderungen. Die Wissenschaftler können das weitere Schicksal der Erde heute schon berechnen: In 1,6 Milliarden Jahren wird die Sonne 15 Prozent heller sein als heute. Die irdischen Temperaturen steigen dann auf 60 bis 70 Grad Celsius. Die Wärme hat eine erhöhte Luftfeuchtigkeit zur Folge, denn immer mehr Wasser verdunstet. Wasserdampf ist ein Treibhausgas und bewirkt einen sich selbst verstärkenden Treibhauseffekt. Die Folge: Die Ozeane verschwinden und lassen weite, trockene Salzwüsten zurück. Weil auch die Plattentektonik zum Erliegen kommt, hört die Gebirgsbildung auf – die Erdoberfläche wird immer glatter. Es wird auf unserem Planeten ähnlich aussehen wie im heutigen Nevada und Südarizona, wo die Berge sozusagen unter ihren eigenen Trümmern begraben liegen. Flüsse werden dann die dominierende geologische Kraft sein. „Man stelle sich das Mississippi-Flussdelta mit 90 Prozent weniger Wasser vor. Es wird viele langsame Ströme geben, und die ganze Erde wird sich abflachen”, entwirft Jeffrey Kargel, Planetenwissenschaftler am US Geological Survey in Flagstaff, Arizona, das Bild unseres künftigen Planeten. „Alle Gebirge werden wegerodiert sein bis an die Wurzeln.” Auch die Erdatmosphäre wird weiter malträtiert. Die ultraviolette Strahlung der Sonne bricht die Wasser-moleküle in der Lufthülle auf – in atomaren Wasserstoff und Hydroxyl (OH) beziehungsweise Sauerstoff. Der leichte Wasserstoff entweicht ins All, weil die irdische Gravitation ihn auf Dauer nicht halten kann. Der schwerere Sauerstoff bleibt zurück, und der Luftdruck wird bei den dann herrschenden Temperaturen mehrere Hundert Mal größer als heute. „Das Eisen im Gestein wird den Sauerstoff absorbieren, und die Erde wird ein rostiger Planet – ähnlich wie Mars”, beschreibt es Kargel. Aber es gibt auch Parallelen zur Venus mit ihren dicken giftigen Wolken, die Schwefelsäure enthalten. Der Treibhauseffekt lässt die Temperaturen auf 1000 Grad Celsius ansteigen, wodurch Gesteine schmelzen. Seen aus heißem Magma entstehen, und Sulfat-Mineralien wie Gips lösen sich auf. Wenn eine dünne Dampfatmosphäre erhalten bleibt, wird sie – wie auf der Venus – eine tödliche Menge an Schwefelsäure enthalten. es Gibt nur noch Tag oder Nacht Kargels apokalyptische Berechnungen reichen noch weiter in die Zukunft: 7,5 Milliarden Jahre. Bis dahin wird sich die Sonne zu mehr als dem 250-Fachen ihres heutigen Radius aufblähen. Unser Planet kann dann zu einem Gefangenen seines Gestirns werden: Eine Seite wäre immer zur Sonne gerichtet, hier wäre ständig Tag. Auf der anderen Seite herrschte dagegen ewige Nacht. Das beträfe jeweils eine Region etwa so groß wie das heutige Nordamerika. Dazwischen gäbe es zwei Zonen in ständigem Zwielicht. Kargel hat mit Bruce Fegley und Laura Schaefer von der Washington University in St. Louis, Missouri, den weiteren Verlauf im Computer simuliert. Dabei nutzten die Forscher nicht nur neue mathematische Modelle und Programme für chemische Reaktionen, sondern auch Daten von Satelliten und Raumsonden über Kometen, Meteoriten und den vulkanischen Jupitermond Io. Demnach wird in gut 7,5 Milliarden Jahren der Magma-Ozean auf der sonnenzugewandten Erdseite fast 2200 Grad Celsius erreichen. „Bei dieser Temperatur beginnt Magma zu verdampfen”, sagt Kargel. „Die Erde wird wie ein Stern glühen.” Sogar ihr äußerer Nachbarplanet Mars wird so heiß sein, dass Basalt schmilzt. Schwieriger ist es, die Vorgänge auf der irdischen Nachtseite abzuschätzen: Wenn die Atmosphäre in dieser fernen Zukunft noch relativ dicht ist, leitet sie so viel Hitze hinüber, dass es auch dort heiß wie in einem Toaster sein wird. „Aber wenn es diese Atmosphäre nicht mehr gibt, wird es extrem kalt”, vermutet Kargel. Dann wird die Erde dem heutigen Merkur ähneln: In der 400 Grad Celsius heißen Mittagshitze des sonnennächsten Planeten schmilzt Blei, während nachts bitterkalte minus 170 Grad herrschen. Auf der künftigen Erdrückseite könnten die Temperaturen sogar bis auf minus 240 Grad fallen. Die Folge wären exotische Wettermuster. Auf der heißen Seite der Erde verdampfen Silizium, Magnesium und Eisen sowie deren Oxide aus dem Magmasee. In der warmen Zwielichtzone kondensieren sie wieder. „Es gäbe Eisen-Regen und vielleicht Siliziummonoxid-Schnee”, sagt Kargel. Und vom kalten dunklen Nachthimmel rieselte Natrium- und Kalium-Schnee. „Seltsame Kontinente aus Natrium, Kalium, Aluminium und Kalzium würden auf einem geschmolzenen Ozean schwimmen, in den Gletscher aus Silizium, Eisen und Magnesium hineinfließen”, malt sich Kargel die exotische Zukunft aus. „Man stelle sich vor: Gletscher aus Magnesium! Es wird ein höllischer Ort sein.” Auf der dunklen Seite kann es kalt genug werden, dass Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Argon ausfrieren. Sie würden eine gigantische Eiskappe bilden, auf der sich festes Stickstoff- und Argon-Eis absetzen. Falls dann noch Wasser vorhanden ist, würde es zu einer Eisschicht am Boden der Polkappe gefrieren. In der Zwischenzone gäbe es dagegen vielleicht noch ein Wassermeer – eine melancholische Reminiszenz an die Vergangenheit des Blauen Planeten. Könnte diese unheimlich gewordene Erde noch Leben tragen? Vermutlich nicht, auch wenn man die Hartnäckigkeit und Anpassungsfähigkeit von Mikroorganismen nicht unterschätzen darf. Aber möglicherweise existieren noch Relikte der einstigen menschlichen Zivilisation irgendwo am Grund des Ozeans – Trümmer von Wolkenkratzern etwa, die außerirdische Besucher entdecken könnten: „Wenn verrückte Aliens diese gottverlassene Welt erforschen würden, könnte der Wasserozean der Ort sein, wo sie ihr Lager aufschlagen”, meint Kargel. Die visionären Forschungen helfen Astronomen dabei, die Verhältnisse auf Planeten bei anderen Sternen abzuschätzen. Inzwischen sind über 250 solcher Exoplaneten bekannt – allerdings fast ausschließlich jupiterähnliche Gasriesen. Doch um das Jahr 2015 soll ein neues Weltraum-Observatorium starten und 150 nahe Sterne nach erdähnlichen Planeten absuchen – der Terrestrial Planet Finder der NASA oder die Darwin-Mission der ESA. Dann werden Astronomen Planeten in allen Entwicklungsstadien sehen. „ Vielleicht entdecken wir einen pinkfarbenen Planeten – mit einer geschmolzenen Oberfläche und einer Atmosphäre aus Sauerstoff, 100 Mal dichter als auf der Erde”, überlegt Donald Brownlee, Astronom an der University of Washington in Seattle. „Viele Leute würden sagen, dies sei ein bizarrer Planet. Doch er könnte unsere eigene Zukunft zeigen.” Aufgeblasener Roter Riese Freilich ist auch diese Zukunft nur eine Etappe auf dem Weg in den Untergang. Jahrzehntelang gab es eine Kontroverse zum weiteren Schicksal der Erde: Wird sie von der Sonne verschlungen oder kann sie knapp entkommen? Jetzt scheint sie entschieden zu sein. Die Diskussion ging vor allem darum, wie weit sich die Sonne in ihrem Endstadium ausdehnen wird und wie sich die Radien der Planetenbahnen dabei ändern werden. Beides hängt davon ab, wie viel Masse die Sonne wie schnell verliert. Diese Massenverlust-Rate bestimmt, wie groß und kühl die Sonne wird und ist somit der entscheidende Wert, von dem das Schicksal der Erde abhängt. Noch hat unsere Sonne nicht einmal ihre Halbzeit erreicht. Trotzdem ist schon fast die Hälfte ihres Wasserstoffs im Kern zu Helium verschmolzen. Die Kernfusion heizt das Sonneninnere auf und erzeugt damit Druck gegen die umgebende Materie, die aufgrund ihrer Schwerkraft nach innen strebt. Dieser ständige Kampf führt dazu, dass der zentrale Bereich der Sonne – nur dort finden die Kernverschmelzungsprozesse statt – mit der Zeit etwas kontrahiert, wodurch die Fusion effektiver wird und die Materie ringsum expandiert. Die Leuchtkraft der Sonne wird deswegen die nächsten 6,5 Milliarden Jahre stetig und beinahe linear zunehmen. Dann erlischt die Kernfusion im Sonnenzentrum. Fast aller Wasserstoff ist zu Helium verschmolzen. In der Hülle gibt es jedoch noch ausreichend Wasserstoff. Während der Kern sich zusammenzieht, heizt sich die Hülle auf und expandiert. Das beginnt in etwa 6 Milliarden Jahren: Die Sonne wird zum Roten Riesen und vergrößert ihren Durchmesser binnen gut einer Jahrmilliarde um das Zehnfache. Dann bläht sie sich in 70 Millionen Jahren um einen weiteren Faktor 25 auf. Astronomen sprechen vom RGB-Stadium, weil die Sonne dann im Hertzsprung-Russell-Diagramm – dem astronomischen Standardschema zur Charakterisierung von Sternmerkmalen und -entwicklungszuständen – in den „Red Giant Branch” gewandert ist, den Bereich der Roten Riesen. Unstrittig ist, dass alle vier terrestrischen Planeten – Merkur, Venus, Erde, Mars – von der Roten Riesensonne verschluckt würden, wenn diese im Lauf ihrer Entwicklung durch den Sonnenwind nicht viel Masse ins All bliese. Doch weil sie dies tut, wird ihre Anziehungskraft geringer. Daher vergrößern sich die Bahnradien der Planeten: Sie wandern nach außen. Damit – auch das hat kein Astronom bezweifelt – kann Mars den lohenden Feuerfängen des Roten Riesensterns entkommen. Die Umlaufbahn der Erde jedoch befindet sich nahe an der kritischen Grenze. Schicksalsformel für den Sonnenwind Um den Massenverlust abzuschätzen, hat Dieter Reimers von der Universität Hamburg in den Siebzigerjahren anhand von Messdaten verschiedener Sterne eine Art Faustformel aufgestellt. Ihr zufolge würde die Erde – und vielleicht sogar die Venus – dem Feuertod entkommen. Doch Reimers’ Formel ist zu ungenau, wie weitere Studien gezeigt haben, und vor allem waren die freien Parameter darin umstritten. Doch in den letzten Jahren ist es Klaus-Peter Schröder und dessen Kollegen Manfred Cuntz gelungen, Reimers Formel zu präzisieren und die Parameter zu eichen. „Wir haben die Formel an alten massearmen Sternen in Kugelsternhaufen kalibriert, die zeigen, dass diese Sterne schon im RGB-Stadium mehr als ein Viertel ihrer Masse verloren haben. Und wir haben die Formel anhand von Riesensternen mit gut bekannten Masseverlusten und physikalischen Eigenschaften überprüft”, sagt der an der Universität Hamburg bei Dieter Reimers promovierte und habilitierte Schröder, der nach einigen Jahren an der University of Sussex in Großbritannien kürzlich an die Universität von Guanajuato in Mexiko gewechselt hat. „Das Ergebnis: Der Massenverlust ist etwas größer als bislang gedacht: 0,332 Sonnenmassen bis zur Spitze des RGB-Stadiums.” Das bedeutet, dass die Sonne durch Sternwinde ungefähr ein Drittel ihrer Masse verloren hat, wenn sie ihre maximale Größe als Roter Riese erreicht. Im nachfolgenden AGB-Stadium („ Asymptotic Giant Branch”), wenn sich die Sonne nach dem Aufbrauchen ihres zentralen Helium-Brennstoffvorrats erneut zu einem Roten Riesen aufbläht, wird unser Heimatgestirn entgegen einigen früheren Abschätzungen nicht noch größer werden als im RGB-Stadium. Die Sonne verschluckt also die Erde spätestens im Maximum des RGB-Stadiums. Mit seiner verbesserten Formel hat Schröder nun zusammen mit Robert Connon Smith von der University of Sussex ausgerechnet, dass sich der Sonnenradius auf höchstens 1,19 Astronomische Einheiten (AE) vergrößern wird. Eine AE ist die heutige mittlere Entfernung der Erde von der Sonne: 149,6 Millionen Kilometer. Da sich die Erdbahn während der Sonnenexpansion auf 1,50 AE vergrößert, müsste unser Planet knapp entkommen. Zwar würde seine Oberfläche unter der sengenden Glut schmelzen, aber die glühende Weltkugel selbst würde übrig bleiben – ein brennendes und irgendwann wieder erkaltendes und erstarrendes kosmisches Denkmal besserer Zeiten. Denselben Schluss hatten Schröder, Smith und Kevin Apps von der University of Sussex mit einer einfacheren Rechnung schon 2001 gezogen: Weder im RGB-Stadium noch im folgenden AGB-Stadium wird die Sonne so groß, dass sie an die erweiterte Erdbahn heranreicht. Doch das ist nicht die ganze Geschichte. Schröder und Smith haben in ihrer neuen Rechnung zwei weitere Effekte berücksichtigt – die Gezeitenkräfte und den Einfluss der äußeren Sonnenhülle. Der erste Effekt macht den entscheidenden Unterschied: Mit der Zeit verlangsamt unsere Sonne ihre Rotation von heute einer Umdrehung alle etwa 27 Tage auf eine Umdrehung pro einige Tausend Jahre, wenn sie zum Roten Riesen wird. Das ist eine Folge ihrer gewaltigen Ausdehnung um das 250-Fache – trotz der Erhaltung des Drehimpulses. Weiter abgebremst wird sie durch magnetische Effekte: „Die Magnetfelder greifen in den Weltraum hinaus und ,versteifen‘ das zirkumstellare Plasma in der Sonnenumgebung”, erklärt Schröder. „Damit bremsen sie unseren Stern, der nicht mehr reibungsfrei im Plasma rotieren kann. Das können wir bei anderen Hauptreihensternen verschiedenen Alters beobachten. Denn wenn sich die Umdrehungsgeschwindigkeit verringert, wird auch der Dynamo im Stern langsamer, was die stellare Aktivität bremst. Dieser Effekt lässt sich indirekt messen – durch die Abnahme der Aktivität mit zunehmendem Alter – und spektroskopisch auch direkt.” Feuerbestattung in der Sonne Wenn nun der traurige Überrest unseres Planeten dicht um die aufgeblähte Sonne kreist, erzeugt die irdische Gravitation eine Art Gezeitenberg – analog zur Flut, die unser Mond heute bei den Meeren verursacht. Die Sonne wird also geringfügig in Richtung Erde ausgebeult. Weil ihre Hülle aber aufgrund von inneren Reibungsprozessen der vorbeieilenden Erde immer etwas „nachhinkt” , verlangsamt der Gezeitenberg die Geschwindigkeit der Erde geringfügig. Durch diesen Verlust an Bewegungsenergie und Bahndrehimpuls schrumpft die Erdbahn mit jedem Sonnenumlauf. Diese Spirale des Todes infolge der Gezeitenbremse ist unaufhaltsam. Das haben Schröder und Smith mit einer Formel für Gezeiteneffekte berechnet, die Jean-Paul Zahn vom Observatorium Paris-Meudon schon in den Siebzigerjahren aufgestellt hat und die seither beim Studium der Bewegung von Doppelsternen empirisch gut bestätigt wurde. Danach hängt der Radius der Erdbahn quadratisch vom Drehimpuls ab, das heißt, er reagiert sehr empfindlich auf den Gezeiteneffekt: Ein Verlust von 10 Prozent des irdischen Drehimpulses führt beispielsweise zu einer Reduktion von 20 Prozent des Orbitalradius. Hinzu kommt, als zweiter Effekt, die dynamische Reibung durch den Einfluss der äußeren Sonnenhülle. Auch sie bremst die Bewegung der Erde und verringert somit den Radius ihrer Umlaufbahn. Doch die Stärke dieses Effekts ist gegenüber den Gezeitenkräften zunächst vernachlässigbar. Das letzte Kapitel der Erde ist auch das kürzeste: Vom weitesten Bahnradius bis zum Weltenbrand beim Eintritt in die Sonne vergehen ungefähr 400 000 Jahre. Zuerst verdampft das Gestein der Erdkruste, dann beginnt sich der Erdmantel aufzulösen, und nach wenigen Zehntausenden von Jahren ist der einstige Blaue Planet im Feuersaum seines sterbenden Gestirns verglüht. Nur marginale Spuren zeugen dann noch vom Flammentod: Der Metallgehalt der äußeren Sonnenhülle ist um etwa 0,01 Prozent höher als zuvor. Durch die Spirale des Todes wird unser Planet also schon von der Sonne verschluckt, bevor diese ihre maximale Ausdehnung erreicht hat. Der Exitus der Erde wird in 7,59 plus/minus 0,05 Milliarden Jahren stattfinden, so die Berechnung von Schröder und Smith. Die Unsicherheiten in den Parametern der Formeln – und somit die Unsicherheit des maximalen Erdbahnradius von vielleicht zehn Prozent – sind kleiner als die weiteren 0,25 AE, um die sich die Sonne in den folgenden 500 000 Jahren noch ausdehnt. „Wir sind ziemlich sicher, dass die Erde nicht entkommen kann” , fasst Schröder das apokalyptische Ergebnis zusammen, das demnächst in der renommierten astronomische Fachzeitschrift „ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” veröffentlicht wird. „Um weiter zu existieren, müsste die Erde heute einen Sonnenabstand von mindestens 1,15 AE haben – das heißt 22,5 Millionen Kilometer weiter von der Sonne entfernt sein, als sie es tatsächlich ist.” Merkur und Venus werden vom finalen Feuertod noch früher ereilt: Sie verbrennen 3,8 beziehungsweise 1,0 Millionen Jahre vor der Erde. ■ Rüdiger Vaas Ohne Titel Durch die immer stärkere Leuchtkraft der Sonne – alle 110 Millionen Jahre nimmt sie um etwa ein Prozent zu – verschiebt sich die lebensfreundliche Zone, in der es flüssiges Wasser gibt, immer weiter in die Außenbezirke unseres Planetensystems. Auf der Erde wird es spätestens in 1,6 Milliarden Jahren zu heiß für Leben sein. Unser äußerer Nachbarplanet Mars wird freilich erst in 7 Milliarden Jahren 100 Millionen Jahre lang erdähnliche Temperaturen bekommen. Danach wird die Hitze tödlich sein. In 7,4 Milliarden Jahren wird es dagegen auf dem Jupitermond Europa gemütlich werden, einige Millionen Jahre später auch auf dem Saturnmond Titan und dem Uranusmond Oberon. Der Umzug auf ferne Planeten würde unseren Nachfahren also nicht viel helfen, denn lange Zeit ist kein einziger Himmelskörper im Sonnensystem bewohnbar. „Wir sollten uns besser an die Idee gewöhnen, Überlebenskapseln zu bauen. Vielleicht ist das schon heute die ultimative Rechtfertigung für den Bau der Internationalen Raumstation”, überlegt Robert Smith von der University of Sussex. Wenn die Sonne zum voll entwickelten Roten Riesen wird, im Alter von 12,17 Milliarden Jahren, beginnt das große Tauwetter. „Dann wird unser Sonnensystem nicht nur eine einzige Welt mit einem Ozean an der Oberfläche beherbergen, sondern Hunderte davon – alle Eismonde der Riesenplaneten sowie die eisigen Zwergplaneten im Kuipergürtel”, sagt Alan Stern, Astronom am Southwest Research Institute in Boulder, Colorado. Aber diese Wasserwelten existieren nur wenige Hundert Millionen Jahre – wohl viel zu kurz, um selbst primitives Leben hervorzubringen. Wenn die Sonne verlöscht, hüllt der Frost die Außenseiter wieder ein – für immer. Ohne Titel · In sieben Milliarden Jahren könnte es auf der Erde glühendes Eisen regnen und Kalium schneien. · Wenn der Sonne der Kernbrennstoff ausgeht, bläht sie sich zum Roten Riesen auf – und ist 250-mal größer als heute. · Erst verschlingt sie Merkur und Venus, dann die Erde.