Leben bei Roten Zwergen?

Wem am Nachthimmel noch nie ein solcher Stern aufgefallen ist, der braucht sich nicht zu wundern: Rote Zwerge sind so leuchtschwach, dass noch nicht einmal der M-Stern Proxima Centauri mit bloßem Auge zu sehen ist. Dabei steht er mit 4,2 Lichtjahren Entfernung unserem Sonnensystem am nächsten.

Für Exoplanetenjäger ist es erfolgversprechend, bei Sternen zu suchen, die selbst keine Rarität sind – bei M-Sternen eben. Dazu kommt: Sie könnten eine zweite Erde in einer habitablen Zone um einen sonnenähnlichen Stern mit ihren technischen Möglichkeiten momentan überhaupt nicht finden.

„Um einen Planeten in der habitablen Zone bei einem G-Stern aufzuspüren, müssten wir ein winziges Signal finden, das – wenn überhaupt – nur einmal im Jahr auftritt“, verdeutlicht Maximilian Günther vom Massachusetts Institute of Technology das Problem.

Weil Rote Zwerge leuchtschwächer und kühler als die Sonne sind, befinden sich ihre habitablen Zonen sehr viel näher am jeweiligen Stern. Das wiederum macht es einfacher, dort vorhandene Exoplaneten zu entdecken. Dafür ist auch das Größenverhältnis zwischen einem relativ kleinen Stern und seinem Planeten günstig: Zieht der Planet von uns aus gesehen vor dem Stern vorüber, reduziert er dessen Helligkeit leicht – und das lässt sich umso besser messen, je stärker diese partielle Verfinsterung ist. Das erklärt, warum M-Sterne zurzeit im Fokus von Exoplanetenjägern stehen.

Die von Sandra Jeffers entdeckten Supererden brauchen ungefähr 10 beziehungsweise 22 Tage, um Gliese 887 zu umrunden. Bei dieser Distanz ist es zu heiß für erdähnliche Organismen. Doch der noch nicht eindeutig nachgewiesene Planet in der habitablen Zone würde für einen Umlauf rund 50 Tage benötigen. Falls er wirklich existiert, ist sein Nachweis also nur eine Frage der Zeit.

Alles andere als langweilig

Allerdings gibt es in der Nähe eines Roten Zwergs ein Problem. Ansgar Reiners von der Universität Göttingen bringt es auf den Punkt: „Man sitzt direkt vor dem Grill.“

Zu den Eigenschaften dieses Grills gehören Sternenflecken, Ausbrüche und Massenauswürfe von geladenen Teilchen. Das ist auch von unserer Sonne bekannt: Zwar hat sie ihr Aktivitätsminimum erst im letzten Jahr durchschritten und scheint derzeit recht ruhig vor sich hin. Aber auch sie kann aktiv werden: So verfehlte 2012 ein heftiger Sonnensturm die Erde nur um ein paar Tage. 1859 legte ein Ausbruch sogar das weltweite Telegrafennetz lahm und ließ noch in Hawaii Polarlichter aufleuchten. Dieser heftigste bislang beobachtete solare Magnetsturm ging als Carrington-Ereignis in die Geschichtsbücher ein, weil er unter anderem von dem englischen Astronomen Richard Christopher Carrington beobachtet wurde.

Maximilian Günther und seine Kollegen haben Eruptionen auf Roten Zwergen kürzlich mithilfe des Weltraumteleskops TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) untersucht. Sie fanden heraus, dass rund 10 bis 15 Prozent der größeren M-Sterne optisch messbare Ausbrüche zeigen – und bis zu 50 Prozent aller kleineren M-Sterne.

„Die schwächsten Ausbrüche, die wir mit unseren optischen Kameras noch sehen können, sind fast so energiereich wie das Carrington-Ereignis“, resümiert Günther. „Und diese extremen Ausbrüche finden auf den M-Sternen alle paar Tage bis Wochen statt – auf unserer Sonne nur alle paar Jahrhunderte.“

Genau nach solchen optisch messbaren Ausbrüchen hatten Sandra Jeffers und ihre Kollegen bei Gliese 887 gesucht – und keine gefunden. Das heißt aber nicht, dass keine Ausbrüche stattfinden. Laut Parke Loyd eignet sich der ultraviolette Bereich des elektromagnetischen Spektrums besser, um die Aktivitäten von M-Sternen aufzuspüren. „Dort sind diese Ausbrüche riesig“, sagt er. „Ein Lebewesen auf einem Planeten um einen solchen Stern, das ultraviolette Strahlung erkennen kann, würde sehen, wie der Stern plötzlich hundertmal heller wird.“

Schnalzende Magnetbänder

Es ist nicht ganz klar, warum ausgerechnet die Winzlinge unter den Sternen so aktiv sind. Prinzipiell hat die Aktivität eines Sterns etwas mit seinen Magnetfeldern zu tun. Die werden beispielsweise durch die heißen, geladenen Teilchen in der Konvektionszone hervorgerufen. Bei der Sonne ist die Konvektionszone die äußere Schicht. Man kann sich das Ganze ein wenig wie einen extrem heißen, brodelnden Kochtopf vorstellen.

Geladene Teilchen in Bewegung erzeugen Magnetfelder. Und das Brodeln ist kein geordneter Vorgang. „Diese Magnetfelder verknoten sich immer mehr“, beschreibt es Parke Loyd. „Dabei speichern sie Energie. Das ist ein bisschen so, als ob man ganz viele Gummibänder miteinander verknotet. Wenn sich die Magnetfelder wieder miteinander verbinden, dann schnalzen sie alle an ihren Platz zurück und setzen Energie frei.“

Den elfjährigen Aktivitätszyklus der Sonne erklären Astrophysiker mithilfe der Tachocline. Das ist der Übergang zwischen der inneren Strahlungszone und der äußeren Konvektionszone. Doch in kleineren M-Sternen gibt es diesen Übergang nicht, da sie aus einer einzigen großen Konvektionszone bestehen. „Es ist nicht ganz klar, was dort passiert“, sagt Reiners. Er vermutet, dass die Rotationsgeschwindigkeit eines Sterns eine wichtige Rolle spielt. Die Sonne rotiert langsam, sie braucht rund 28 Tage für eine volle Umdrehung. Allerdings drehte sich die Sonne kurz nach ihrer Entstehung sehr viel schneller und war wohl auch viel aktiver.

Bei den kleineren unter den M-Sternen dauerte es nach der Entstehung sehr viel länger, bis sie langsamer rotierten. „Wir sprechen da in manchen Fällen von rund einer Milliarde Jahre, verglichen mit den etwa 100 Millionen Jahren eines sonnenähnlichen Sterns“, sagt Katja Poppenhäger von der Universität Potsdam. Müsste man also einfach nur ein paar Milliarden Jahre warten, bis sich ein M-Stern langsamer dreht?

„Die hochenergetische Strahlung eines Ausbruchs kann die Moleküle und Atome in einer Atmosphäre aufheizen, sodass sie hinaus ins All gelangen“, sagt Katja Poppenhäger. Die Atmosphäre eines Planeten würde so Stück für Stück erodieren.

Häufiger, heftiger, länger, näher

„Die Atmosphäre ist der Schutzschild um einen Planeten“, betont die Göttinger Astronomin Sandra Jeffers. Ohne Atmosphäre ist flüssiges Wasser auf einer Planetenoberfläche kaum vorstellbar.

Tatsächlich fand ein Team von Astronomen um Laura Kreidberg vom Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, erst kürzlich bei einem M-Stern einen erdähnlichen Planeten, der keine Atmosphäre hat. Auf die Liste der habitablen Planeten kommt dieser 49 Lichtjahre entfernte Planet namens LHS 3844b also nicht. Andererseits steht die Erforschung von Exoplaneten-Atmosphären noch am Anfang. Wie repräsentativ LHS 3844b ist, weiß niemand. In der habita-blen Zone befindet er sich ohnehin nicht, dafür steht er seinem Stern zu nahe.

Selbst wenn die Atmosphäre nicht gleich völlig zerstört wird: Falls ein Ausbruch auf einem Roten Zwerg mit einem Sturm aus geladenen Teilchen einhergeht – was bei unserer Sonne meistens der Fall ist –, könnte er die Ozonschicht eines Planeten zerstören. Geschieht dies immer wieder, kann sich diese schützende Schicht bis zum nächsten Ausbruch nicht wieder aufbauen. Der Planet und seine Oberfläche wären der hochenergetischen UV- und Röntgenstrahlung schutzlos ausgeliefert.

Auch scheinen sich Rote Zwerge mit zunehmendem Alter nicht unbedingt zu beruhigen. So bricht Barnards Stern, einer der uns nächsten M-Sterne, wohl weiterhin munter aus. Das fanden Kevin France von der University of Colorado in Boulder und seine Kollegen kürzlich heraus. Barnards Stern befindet sich sechs Lichtjahre entfernt im Sternbild Schlangenträger und ist mehr als doppelt so alt wie unsere Sonne.

Damit scheinen die bekannten lebensfreundlichen Kandidaten in habitablen Zonen ausgemustert zu sein. Denn die Planeten von Gliese 887, Proxima Centauri, und TRAPPIST-1 – den immerhin sieben erdgroße Welten umrunden – sind allesamt M-Sterne.

Energie für das Leben?

„M-Sterne sind das am meisten missverstandene Objekt überhaupt“, entgegnet Ansgar Reiners. „Sie decken nämlich einen riesigen Massenbereich ab. Die größeren M-Sterne sind im Grunde wie die Sonne.“ Das heißt, sie bestehen teilweise aus einer Strahlungszone in ihrem Inneren. Somit sind sie vielleicht nicht ganz so aktiv wie ihre kleineren Geschwister. „Das ist die Mehrzahl der M-Sterne“, sagt Reiners.

Maximilian Günther hingegen spekuliert: „Diese extremen Ausbrüche, die als so gefährlich gelten, könnten am Ende neues Leben um M-Sterne erwecken.“ Denn die Ausbrüche erzeugen hochenergetische Strahlung, die die kühlen Roten Zwerge nicht liefern können. Und Leben braucht notwendigerweise eine Energiequelle – warum nicht in Form solcher stellaren Ausbrüche?

„Wir wissen nicht einmal, wie das Leben auf der Erde begonnen hat“, sekundiert Parke Loyd. Die Wissenschaftler haben deshalb strenggenommen keine Ahnung, was genau „habitabel“ bedeutet oder was „lebensfreundlich“ ist. Darum erscheint es unklug, sich auf die Vorstellung einer perfekten zweiten Erde zu versteifen und 70 Prozent aller Sterne in der Galaxis zu ignorieren.

„Die habitable Zone um M-Sterne wird anders ausschauen als bei uns“, konstatiert Katja Poppenhäger. Das ist das Einzige, wobei sich Astronomen hinsichtlich erdähnlicher Planeten um Rote Zwerge sicher sind. Aber anders heißt eben nicht: unmöglich für Leben.