(openPR) Ein Exoplanet, der 124 Lichtjahre von der Erde entfernt um einen Zwergstern kreist, machte im April 2025 weltweit Schlagzeilen. Forschende der Universität Cambridge, Grossbritannien, berichteten, dass es sich beim Planeten K2-18b um eine Wasserwelt mit einem tiefen, globalen Ozean voller Leben handeln könnte. Doch nun zeigt eine Studie, dass sogenannte Sub-Neptune wie K2-18b mit hoher Wahrscheinlichkeit keine von Wasser dominierten Welten sind und dort kaum lebensfreundliche Bedingungen herrschen. «Wasser auf Planeten ist viel begrenzter vorhanden als bisher angenommen», sagt Caroline Dorn, Professorin für Exoplaneten an der ETH Zürich.
Die Studie wurde unter Leitung der ETH Zürich gemeinsam mit Forschenden des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg und der University of California in Los Angeles durchgeführt. K2-18b ist grösser als die Erde, aber kleiner als Neptun und gehört damit zu einer Klasse von Planeten, die in unserem Sonnensystem fehlen. Draussen im All aber kommen sie häufig vor, wie Beobachtungen zeigen. Manche dieser Sub-Neptune wurden vermutlich weit entfernt von ihrem Zentralstern gebildet – jenseits der sogenannten Schneelinie, wo Wasser zu Eis gefriert – und wanderten später nach innen.
Bisher nahm man an, dass einige dieser Planeten während ihrer Entstehung besonders viel Wasser ansammeln konnten und heute unter einer wasserstoffreichen Atmosphäre globale, tiefe Ozeane beherbergen. Die Fachleute sprechen von Hycean-Planeten – eine Kombination aus «Hydrogen» für Wasserstoff und „Ocean“ für Ozean.
Die Chemie berücksichtigen
«Unsere Berechnungen zeigen, dass dieses Szenario nicht möglich ist», sagt Dorn. Denn eine grundlegende Schwäche von bisherigen Studien war, dass sie jegliche chemische Kopplung zwischen der Atmosphäre und dem Inneren des Planeten ausser Acht liessen. «Wir haben nun die Interaktionen zwischen dem Planeteninnern und der Atmosphäre berücksichtigt», erklärt Aaron Werlen, Forscher in Dorns Team und Erstautor der Studie, die in der Zeitschrift «The Astrophysical Journal Letters» erschienen ist.
Die Forschenden nehmen an, dass die Sub-Neptune in einer frühen Bildungsphase einen Zustand durchliefen, in dem sie von einem tiefen, heissen Magma-Ozean bedeckt waren. Darüber sorgte eine Hülle aus Wasserstoffgas dafür, dass diese Phase über Jahrmillionen erhalten blieb.
«In unserer Studie haben wir untersucht, wie sich die chemischen Wechselwirkungen von Magma-Ozean und Atmosphäre auf den Wassergehalt junger Sub-Neptun-Exoplaneten auswirkt», sagt Werlen.
Dazu verwendeten die Forschenden ein bestehendes Modell, das die Planetenentwicklung über einen bestimmten Zeitraum beschreibt. Dieses kombinierten sie mit einem neuen Modell, das die chemischen Prozesse berechnet, die zwischen dem Gas in der Atmosphäre und den Metallen und Silikaten im Magma ablaufen.
Wasser verschwindet im Innern
Die Forschenden berechneten den chemischen Gleichgewichtszustand von 26 verschiedenen Komponenten für insgesamt 248 Modell-Planeten. Die Computersimulationen zeigten, dass die chemischen Prozesse die meisten H2O-Wassermoleküle zerstören. Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) lagern sich an metallische Verbindungen an, und diese verschwinden zu einem grossen Teil im Planetenkern.
Auch wenn die Genauigkeit solcher Berechnungen an Grenzen stösst, sind die Forschenden von den Resultaten überzeugt. «Wir fokussieren uns auf die grossen Trends und sehen in den Simulationen klar, dass die Planeten viel weniger Wasser haben, als sie ursprünglich ansammelten», erklärt Werlen: «Das Wasser, das tatsächlich als H2O an der Oberfläche vorhanden bleibt, ist auf maximal einige Prozente begrenzt.»
Bereits in einer früheren Veröffentlichung konnte Dorns Gruppe zeigen, wie sich das meiste Wasser eines Planeten im Innern versteckt. «Bei der jetzigen Studie haben wir analysiert, wie viel Wasser im Ganzen auf diesen Sub-Neptunen vorkommt», erklärt die Wissenschaftlerin: «Den Berechnungen zufolge gibt es keine fernen Welten mit massiven Wasserschichten, in denen Wasser rund 50 % der Planetenmasse ausmacht, wie man bisher dachte. Hycean-Welten mit 10-90 % Wasser sind daher sehr unwahrscheinlich.»
Damit gestaltet sich die Suche nach ausserirdischem Leben schwieriger als erhofft. Denn lebensfreundliche Bedingungen mit genügend flüssigem Wasser an der Oberfläche gibt es wahrscheinlich nur auf kleineren Planeten, die wohl erst mit noch besseren Observatorien als dem James-Webb-Weltraumteleskop zu beobachten sein werden.
Die Erde ist kein Spezialfall
Besonders spannend hingegen findet Dorn die Rolle unserer Erde im Hinblick auf die neuen Berechnungen. Diese zeigen, dass die meisten fernen Welten ähnliche Wasseranteile haben wie unser Planet. «Die Erde ist vielleicht gar nicht so aussergewöhnlich, wie wir meinen. In unserer Studie erscheint sie jedenfalls als typischer Planet», sagt sie.
Erstaunt hat die Forschenden zudem ein scheinbar paradoxer Unterschied: Die Planeten mit den wasserreichsten Atmosphären sind nicht etwa diejenigen, welche jenseits der Schneelinie am meisten Eis angesammelt haben, sondern Planeten, die innerhalb der Schneelinie entstanden sind. Hier lieferten nicht die Eiskristalle das Wasser, sondern es wurde chemisch produziert, indem Wasserstoff in der Planetenatmosphäre mit Sauerstoff aus den Silikaten des Magma-Ozeans reagierte und H2O-Moleküle entstanden.
«Diese Erkenntnisse stellen den klassischen Zusammenhang zwischen eisreicher Entstehung und wasserreichen Atmosphären in Frage. Sie unterstreichen stattdessen die dominante Rolle des Gleichgewichts zwischen Magma-Ozean und Atmosphäre bei der Bildung der Planeten-Zusammensetzung», bilanziert Werlen. Dies werde sich weitreichend auf Theorien zur Planetenentstehung sowie auf die Interpretation der Atmosphären von Exoplaneten im Zeitalter des James-Webb-Teleskops auswirken.
wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Caroline Dorn, ETH Zürich, dornc(at)ethz.ch
Originalpublikation:
Werlen A, Dorn C, Burn R, Schlichting H, Grimm S, Young E: Sub-Neptunes Are Drier Than They Seem: Rethinking the Origin of Water-Rich Worlds. The Astrophysical Journal Letters 2025, doi:10.3847/2041-8213/adff73 [https://doi.org/10.3847/2041-8213/adff73]
