Habitable Zone
Habitable Zone
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Als habitable Zone (auch Lebenszone oder veraltet Ökosphäre, missverständlich auch bewohnbare Zone; englisch u. a. Goldilocks Zone) bezeichnet man im Allgemeinen den Abstandsbereich, in dem sich ein Planet von seinem Zentralgestirn befinden muss, damit Wasser dauerhaft in flüssiger Form als Voraussetzung für erdähnliches Leben auf der Oberfläche vorliegen kann.
Gelegentlich wird das Konzept einer Umgebung, in der Leben in der uns bekannten oder ähnlicher Form möglich ist, auch auf andere Parameter als Klima und flüssiges Wasser ausgedehnt. So wird von einer UV-habitablen Zone gesprochen, in der die ultraviolette Strahlung der der (frühen) Erde entsprechen muss, oder von einer habitablen Zone einer Galaxie, in der sich bereits genügend schwere Elemente gebildet haben, aber sich andererseits nicht zu viele Supernova-Explosionen ereignen. Schließlich gibt es noch das Konzept des kosmischen habitablen Alters.
Begriff
Der Begriff der habitablen Zone geht zurück auf den Astronomen Su-Shu Huang und wurde Ende der 1950er geprägt. Der Begriff bedeutet wörtlich auf Deutsch „bewohnbare Zone“. Das ist irreführend und hat zu Kritik geführt. Im eigentlichen Wortsinn bezeichnet „bewohnbar“ einen Himmelskörper mit einer voll entwickelten, für Menschen geeigneten Sauerstoff-Kohlenstoff-Ökologie. Im allgemeinen heutigen astrobiologischen Verständnis ist mit habitabler Zone dagegen ein Parameterbereich gemeint, in dem ein Himmelskörper Leben hervorbringen kann, aber nicht muss.
Ökosphäre oder habitable Zone
Eine habitable Zone wurde auch schon als Ökosphäre bezeichnet. Der Ökosphäre-Begriff geht zurück auf Hubertus Strughold (1953/1955) Doch in dieser Bedeutung wird Ökosphäre heute nicht mehr verwendet. Das liegt eben an der Begriffsalternative habitable Zone, die sich inzwischen durchgesetzt hat.
Zirkumstellare habitable Zonen
Die klassische habitable Zone flüssigen Wassers
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Als habitable Zone (auch Lebenszone oder veraltet Ökosphäre, missverständlich auch bewohnbare Zone; englisch u. a. Goldilocks Zone) bezeichnet man im Allgemeinen den Abstandsbereich, in dem sich ein Planet von seinem Zentralgestirn befinden muss, damit Wasser dauerhaft in flüssiger Form als Voraussetzung für erdähnliches Leben auf der Oberfläche vorliegen kann.
Gelegentlich wird das Konzept einer Umgebung, in der Leben in der uns bekannten oder ähnlicher Form möglich ist, auch auf andere Parameter als Klima und flüssiges Wasser ausgedehnt. So wird von einer UV-habitablen Zone gesprochen, in der die ultraviolette Strahlung der der (frühen) Erde entsprechen muss, oder von einer habitablen Zone einer Galaxie, in der sich bereits genügend schwere Elemente gebildet haben, aber sich andererseits nicht zu viele Supernova-Explosionen ereignen. Schließlich gibt es noch das Konzept des kosmischen habitablen Alters.
Begriff
Der Begriff der habitablen Zone geht zurück auf den Astronomen Su-Shu Huang und wurde Ende der 1950er geprägt. Der Begriff bedeutet wörtlich auf Deutsch „bewohnbare Zone“. Das ist irreführend und hat zu Kritik geführt. Im eigentlichen Wortsinn bezeichnet „bewohnbar“ einen Himmelskörper mit einer voll entwickelten, für Menschen geeigneten Sauerstoff-Kohlenstoff-Ökologie. Im allgemeinen heutigen astrobiologischen Verständnis ist mit habitabler Zone dagegen ein Parameterbereich gemeint, in dem ein Himmelskörper Leben hervorbringen kann, aber nicht muss.
Ökosphäre oder habitable Zone
Eine habitable Zone wurde auch schon als Ökosphäre bezeichnet. Der Ökosphäre-Begriff geht zurück auf Hubertus Strughold (1953/1955) Doch in dieser Bedeutung wird Ökosphäre heute nicht mehr verwendet. Das liegt eben an der Begriffsalternative habitable Zone, die sich inzwischen durchgesetzt hat.
Zirkumstellare habitable Zonen
Die klassische habitable Zone flüssigen Wassers
Ein Beispiel eines Systems, basierend auf der stellaren Leuchtkraft für die Vorhersage der Lage der habitablen Zone um Typen von Sternen
Primär hängt die zirkumstellare habitable Zone (circumstellar habitable zone, CHZ) von der Temperatur und Leuchtkraft des Sterns ab, um den der Planet kreist. Nur innerhalb eines bestimmten Abstandbereichs liegt der Wert der Energie pro Flächeneinheit, die der Planet empfängt, in einem Bereich, der über die daraus resultierende Oberflächentemperatur flüssiges Wasser erlaubt.
Bei einem Stern mit 25 % Sonnenhelligkeit würde der Zentralbereich der habitablen Zone etwa 0,5 AE vom Stern entfernt sein, bei einem Stern doppelt so hell wie die Sonne wäre der Abstand 1,4 AE. Das ist das Ergebnis des Abstandsgesetzes der Lichthelligkeit. Der Zentralbereich der bewohnbaren Zone ist in diesem einfachen Modell so definiert, dass ein Exoplanet mit vergleichbarer Atmosphäre der Erde (Aufbau und Dichte) in etwa der globalen Durchschnittstemperatur der Erde entspricht, die Ränder entsprechen den Temperaturen, bei denen Wasser gefriert beziehungsweise siedet.
Darüber hinaus spielt aber auch die Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere die Albedo (das Rückstrahlvermögen) des Planeten, eine große Rolle. Moderne Berechnungen berücksichtigen auch die Entwicklung der Planetenatmosphäre, wie durch den atmosphärischen und teilweise rein chemischen Treibhauseffekt hervorgerufen.
1959 beschrieben die Physiker Philip Morrison und Giuseppe Cocconi diese Zone zum ersten Mal in einem SETI-Forschungsbericht. 1961 veröffentlichte Frank Drake die nach ihm benannte Drake-Gleichung.
Habitable Zone unter Berücksichtigung des planetaren Klimas
Das Konzept der CHZ wurde seit den oben skizzierten Anfängen durch Einbeziehung von Klimarechnungen, insbesondere des Treibhauseffekts durch Kohlendioxid und Wasser, wesentlich verfeinert.
Der Treibhauseffekt auf einem unbelebten Gesteinsplaneten oder -mond in der habitablen Zone wird hauptsächlich durch den Carbonat-Silicat-Zyklus reguliert:
Atmosphärisches CO2 regnet in Form von Kohlensäure auf das Gestein der Oberfläche, wo die Säure Silicat- Gesteine erodiert und der Kohlenstoff in Calcium-Silicat-Mineralen gebunden wird.
Das kohlenstoffhaltige Gestein wird durch tektonische Vorgänge in die planetare Lithosphäre transportiert und dort zu Magma geschmolzen.
Vulkanismus setzt den Kohlenstoff als CO2 wieder frei.
Der Zyklus ist selbstregulierend, da bei sinkenden Temperaturen die Regenmenge fällt, weswegen weniger Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernt wird als der Vulkanismus langfristig, also aufgrund des früheren Klimas, liefert. Dadurch wird der atmosphärische Kohlenstoff angereichert, der Treibhauseffekt steigt und wirkt der Abkühlung entgegen. Bei steigenden Temperaturen reguliert sich der Zyklus über eine größere Regenmenge ebenfalls selbst zu einem niedrigeren Treibhauseffekt. Die Zeitdauer für den Carbonat-Silicat-Zyklus auf der Erde liegt bei mehreren hunderttausend Jahren.
Die innere Grenze wird nun durch einen sich selbst verstärkenden Treibhauseffekt definiert, in dessen Verlauf das Wasser des Planeten in den interplanetaren Weltraum entkommt, und somit die Regulation des Carbonat-Silicat-Zyklus außer Kraft setzt. Diese Grenze liegt im Sonnensystem bei etwa 0,95 AE. An der äußeren Grenze können selbst Wolken aus gefrorenem Kohlendioxid keinen ausreichenden Treibhauseffekt mehr bewirken. Die äußere Grenze der CHZ des Sonnensystems liegt, je nach Modell, bei 1,37 bis 2,4 AE.
Im Sonnensystem befindet sich nur die Erde klar innerhalb dieses Gürtels um die Sonne. Die Venus ist der Sonne, ebenso wie der Merkur, zu nahe. Der Mars liegt je nach Modell noch knapp innerhalb der CHZ und könnte somit einen ausreichenden Treibhauseffekt gehabt haben. Allerdings ist der Planet zu klein, um eine Plattentektonik über Jahrmilliarden in Gang zu halten. Damit fiel nach dem Erstarren der marsianischen Lithosphäre ein wichtiges Element des nicht-biologischen Klimagleichgewichtes, der Vulkanismus innerhalb des Carbonat-Silicat-Zyklus, weg, und so konnte sich das Klima auf dem Mars nicht langfristig stabilisieren. Ein Planet von Erdmasse könnte somit im Abstand von Mars, abhängig von den Modellparametern, noch Leben beherbergen. In der Entfernung des Jupiters würde ein Planet unter keinen Umständen genug Strahlungsenergie erhalten, um Wasser schmelzen zu lassen.
Darüber hinaus spielt aber auch die Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere die Albedo (das Rückstrahlvermögen) des Planeten, eine große Rolle. Moderne Berechnungen berücksichtigen auch die Entwicklung der Planetenatmosphäre, wie durch den atmosphärischen und teilweise rein chemischen Treibhauseffekt hervorgerufen.
1959 beschrieben die Physiker Philip Morrison und Giuseppe Cocconi diese Zone zum ersten Mal in einem SETI-Forschungsbericht. 1961 veröffentlichte Frank Drake die nach ihm benannte Drake-Gleichung.
Da sich sowohl der Stern als auch der Planet im Laufe der Zeit verändern, ändert sich auch die habitable Zone. Die Leuchtkraft eines Sterns nimmt im Laufe seiner Entwicklung zu. Soll sich Leben in einer Form wie unserer auf einem Planeten entwickeln, muss dieser sich nicht nur im richtigen Abstand befinden, sondern die Umstände dürfen sich auf entsprechend langen Zeitskalen auch nicht ändern. Der Planet muss sich die ganze Zeit innerhalb der habitablen Zone befinden, auch wenn diese sich langsam zu einem größeren Abstand vom Zentralstern verschiebt. Normalerweise nimmt man für diese Zeit einen Mindestzeitraum von 4 bis 6 Milliarden Jahren an. Will man den zeitlichen Aspekt hervorheben, spricht man auch von der kontinuierlichen habitablen Zone; meist meint man aber auch in der Kurzform „die kontinuierliche“.
Das Konzept der CHZ wurde seit den oben skizzierten Anfängen durch Einbeziehung von Klimarechnungen, insbesondere des Treibhauseffekts durch Kohlendioxid und Wasser, wesentlich verfeinert.
Der Treibhauseffekt auf einem unbelebten Gesteinsplaneten oder -mond in der habitablen Zone wird hauptsächlich durch den Carbonat-Silicat-Zyklus reguliert:
Atmosphärisches CO2 regnet in Form von Kohlensäure auf das Gestein der Oberfläche, wo die Säure Silicat- Gesteine erodiert und der Kohlenstoff in Calcium-Silicat-Mineralen gebunden wird.
Das kohlenstoffhaltige Gestein wird durch tektonische Vorgänge in die planetare Lithosphäre transportiert und dort zu Magma geschmolzen.
Vulkanismus setzt den Kohlenstoff als CO2 wieder frei.
Der Zyklus ist selbstregulierend, da bei sinkenden Temperaturen die Regenmenge fällt, weswegen weniger Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernt wird als der Vulkanismus langfristig, also aufgrund des früheren Klimas, liefert. Dadurch wird der atmosphärische Kohlenstoff angereichert, der Treibhauseffekt steigt und wirkt der Abkühlung entgegen. Bei steigenden Temperaturen reguliert sich der Zyklus über eine größere Regenmenge ebenfalls selbst zu einem niedrigeren Treibhauseffekt. Die Zeitdauer für den Carbonat-Silicat-Zyklus auf der Erde liegt bei mehreren hunderttausend Jahren.
Die innere Grenze wird nun durch einen sich selbst verstärkenden Treibhauseffekt definiert, in dessen Verlauf das Wasser des Planeten in den interplanetaren Weltraum entkommt, und somit die Regulation des Carbonat-Silicat-Zyklus außer Kraft setzt. Diese Grenze liegt im Sonnensystem bei etwa 0,95 AE. An der äußeren Grenze können selbst Wolken aus gefrorenem Kohlendioxid keinen ausreichenden Treibhauseffekt mehr bewirken. Die äußere Grenze der CHZ des Sonnensystems liegt, je nach Modell, bei 1,37 bis 2,4 AE.
Im Sonnensystem befindet sich nur die Erde klar innerhalb dieses Gürtels um die Sonne. Die Venus ist der Sonne, ebenso wie der Merkur, zu nahe. Der Mars liegt je nach Modell noch knapp innerhalb der CHZ und könnte somit einen ausreichenden Treibhauseffekt gehabt haben. Allerdings ist der Planet zu klein, um eine Plattentektonik über Jahrmilliarden in Gang zu halten. Damit fiel nach dem Erstarren der marsianischen Lithosphäre ein wichtiges Element des nicht-biologischen Klimagleichgewichtes, der Vulkanismus innerhalb des Carbonat-Silicat-Zyklus, weg, und so konnte sich das Klima auf dem Mars nicht langfristig stabilisieren. Ein Planet von Erdmasse könnte somit im Abstand von Mars, abhängig von den Modellparametern, noch Leben beherbergen. In der Entfernung des Jupiters würde ein Planet unter keinen Umständen genug Strahlungsenergie erhalten, um Wasser schmelzen zu lassen.
Habitable Zonen um andere als sonnenähnliche Sterne
Rote Zwerge
Nachdem man zunächst davon ausgegangen war, dass nur um solche Sterne habitable Zonen möglich sind, die eine ähnliche Größe wie unsere Sonne haben, bezieht man mittlerweile auch Rote Zwerge in die Überlegungen ein. Zwar läge bei massearmen Sternen die Zone ausreichender Energie so nahe an dem Stern, dass die Rotation eines Planeten dort im Regelfall mit seiner Umlaufzeit synchronisiert wäre, d. h. er wendet seinem Zentralgestirn immer dieselbe Seite zu (so wie der Mond beim Umlauf um die Erde). Allerdings kann eine ausreichend dichte Atmosphäre die Strahlungsenergie des Sterns ausreichend effizient umverteilen, um auf weiten Teilen des Planeten flüssiges Wasser zu ermöglichen.
Sterne mit größerer Masse als die Sonne
Bei wesentlich massereicheren Sternen als der Sonne ist die Lebensdauer zu kurz, als dass eine habitable Zone mehrere Milliarden Jahre bestehen kann. So leben Sterne mit dem 3–4-fachen der Sonnenmasse schon nur noch etwa eine Milliarde Jahre.
Weiße Zwerge
Eine habitable Zone existiert auch in einem Abstand von 0,02 bis 0,1 AE um Weiße Zwerge. Sie entwickeln sich entlang einer Abkühlungssequenz von extrem heißen Weißen Zwergen mit Oberflächentemperaturen von mehreren 100.000 K innerhalb der Hubble-Zeit zu Temperaturen von 3000 K bei abnehmender Leuchtkraft. Dementsprechend wandert die habitable Zone im Laufe der Entwicklung nach innen auf den Stern zu. Obwohl um diese Sterne eine habitable Zone existiert, ist anzunehmen, dass sich kein Leben wie auf der Erde entwickeln kann, da in der Frühphase des Weißen Zwerges harte Ultraviolettstrahlung die Moleküle vorhandenen Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten hat, und der dabei entstandene molekulare Wasserstoff bei erdgroßen Planeten gravitativ nicht gebunden ist.
Das obige Konzept der habitablen Zone macht nur eingeschränkte Annahmen, unter welchen Bedingungen Leben entstehen kann. Die Hauptvoraussetzung ist flüssiges Wasser. Wasser spielt für das Leben eine zentrale Rolle als Lösungsmittel für biochemische Reaktionen. Problematisch ist jedoch, dass das klassische Konzept der habitablen Zone auf rein atmosphärischen Annahmen basiert.
Mit den Jupitermonden Ganymed und Europa sowie dem Saturnmond Enceladus werden mittlerweile jedoch auch Himmelskörper als Kandidaten für die Beherbergung außerirdischen Lebens angesehen, die sich weit außerhalb der Marsbahn und damit der klassischen habitablen Zone befinden.
Dies wird in der folgenden Einteilung berücksichtigt
Rote Zwerge
Nachdem man zunächst davon ausgegangen war, dass nur um solche Sterne habitable Zonen möglich sind, die eine ähnliche Größe wie unsere Sonne haben, bezieht man mittlerweile auch Rote Zwerge in die Überlegungen ein. Zwar läge bei massearmen Sternen die Zone ausreichender Energie so nahe an dem Stern, dass die Rotation eines Planeten dort im Regelfall mit seiner Umlaufzeit synchronisiert wäre, d. h. er wendet seinem Zentralgestirn immer dieselbe Seite zu (so wie der Mond beim Umlauf um die Erde). Allerdings kann eine ausreichend dichte Atmosphäre die Strahlungsenergie des Sterns ausreichend effizient umverteilen, um auf weiten Teilen des Planeten flüssiges Wasser zu ermöglichen.
Sterne mit größerer Masse als die Sonne
Bei wesentlich massereicheren Sternen als der Sonne ist die Lebensdauer zu kurz, als dass eine habitable Zone mehrere Milliarden Jahre bestehen kann. So leben Sterne mit dem 3–4-fachen der Sonnenmasse schon nur noch etwa eine Milliarde Jahre.
Weiße Zwerge
Eine habitable Zone existiert auch in einem Abstand von 0,02 bis 0,1 AE um Weiße Zwerge. Sie entwickeln sich entlang einer Abkühlungssequenz von extrem heißen Weißen Zwergen mit Oberflächentemperaturen von mehreren 100.000 K innerhalb der Hubble-Zeit zu Temperaturen von 3000 K bei abnehmender Leuchtkraft. Dementsprechend wandert die habitable Zone im Laufe der Entwicklung nach innen auf den Stern zu. Obwohl um diese Sterne eine habitable Zone existiert, ist anzunehmen, dass sich kein Leben wie auf der Erde entwickeln kann, da in der Frühphase des Weißen Zwerges harte Ultraviolettstrahlung die Moleküle vorhandenen Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten hat, und der dabei entstandene molekulare Wasserstoff bei erdgroßen Planeten gravitativ nicht gebunden ist.
Weitere mögliche habitable Bereiche mit flüssigem Wasser
Das obige Konzept der habitablen Zone macht nur eingeschränkte Annahmen, unter welchen Bedingungen Leben entstehen kann. Die Hauptvoraussetzung ist flüssiges Wasser. Wasser spielt für das Leben eine zentrale Rolle als Lösungsmittel für biochemische Reaktionen. Problematisch ist jedoch, dass das klassische Konzept der habitablen Zone auf rein atmosphärischen Annahmen basiert.
Mit den Jupitermonden Ganymed und Europa sowie dem Saturnmond Enceladus werden mittlerweile jedoch auch Himmelskörper als Kandidaten für die Beherbergung außerirdischen Lebens angesehen, die sich weit außerhalb der Marsbahn und damit der klassischen habitablen Zone befinden.
Dies wird in der folgenden Einteilung berücksichtigt
- Ein Klasse-1-Habitat entspricht einem erdähnlichen Planeten in der oben beschriebenen CHZ.
- Ein Klasse-2-Habitat ist ein Planet, der sich zwar ebenfalls in einer wie oben definierten Zone befindet, sich aber aufgrund anderer Parameter dennoch anders als die Erde entwickelt, also zum Beispiel Planeten um M-Sterne, oder ein Planet am Rand einer habitablen Zone wie zum Beispiel der frühe Mars, bevor der Vulkanismus zum Stillstand kam.
- Klasse-3-Habitate sind Monde oder Planeten mit Ozeanen unter der Oberfläche, die aber mit Gesteinsoberflächen in Kontakt sind. Beispiele für solche Objekte im Sonnensystem sind die Jupitermonde Ganymed und Europa. In ihnen kann das gefrorene Wasser der Ozeane z. B. durch Gezeitenreibung verflüssigt werden.
- Als Klasse-4-Habitate werden reine Wasserumgebungen bezeichnet, entweder Monde wie Enceladus mit einer dicken Eisschicht, die nur innerhalb der Eisschicht flüssig sein könnten, oder reine Ozeanplaneten.
Galaktische habitable Zonen
Das Konzept einer Zone, in der Leben wie auf der Erde entstehen kann, wurde 2001 auf galaktische Dimension erweitert.
Ursprünglich beinhaltete diese galaktische habitable Zone (engl. galactic habitable zone, GHZ) nur den chemischen Entwicklungsstand einer galaktischen Region, wonach genügend schwere Elemente in einer Region einer Galaxie vorhanden sein müssen, damit Leben entstehen kann. Die meisten Elemente mit größeren Ordnungszahlen als Lithium entstehen erst im Laufe der Zeit durch Kernfusionsprozesse, die im Inneren der Sterne ablaufen, und beim Tod der Sterne ins interstellare Medium abgegeben werden. In den inneren Regionen einer Galaxie läuft diese Nukleosynthese schneller ab als in den äußeren Regionen, weswegen man einen maximalen Radius der galaktischen habitablen Zone definieren kann.
Später kam als weiteres Kriterium hierzu die Sternbildungsrate in der jeweiligen Region einer Galaxie hinzu. Befindet sich ein Stern mit einem Planeten zu dicht an einer Supernovaexplosion, die bevorzugt in Regionen mit aktiver Sternbildung stattfinden, wird dadurch die Atmosphäre des Planeten zu sehr gestört und der Planet zu starker kosmischer Strahlung ausgesetzt, als dass sich Leben dauerhaft entwickeln könnte. Für Spiralgalaxien wie unsere Milchstraße steigt die Supernovarate zu den inneren Regionen einer Galaxie hin an. Daher kann man auch einen inneren Radius der galaktischen habitablen Zone angeben.
Das bedeutet, dass die galaktische habitable Zone einer Spiralgalaxie wie der Milchstraße einen Ring um das Zentrum der Galaxie bildet. Innerhalb dieses Rings ist die Sterndichte zu hoch, außerhalb ist die Dichte zu gering, als dass genug Sterne schon genug schwere Elemente produziert haben. Im Laufe der Zeit vergrößert sich der Bereich jedoch nach außen. Andererseits sind viele dieser Parameter sehr unsicher, so dass es auch durchaus möglich sein kann, dass die gesamte Milchstraße in diesem Sinne „bewohnbar“ ist.
Dem Konzept des habitablen Alters des Universums (engl. cosmic habitable age, CHA) liegen die chemische Entwicklung der Galaxien seit dem Urknall und die Erkenntnisse über die Strukturentwicklung der Galaxien und Galaxienhaufen zugrunde. Ausgehend von den Erfahrungen der chemischen Evolution auf der Erde kann im Universum seit mindestens 3,5 Milliarden Jahren Leben existieren und wahrscheinlich seit höchstens 5 Milliarden Jahren. Andererseits wird sich in Zukunft die Nukleosynthese durch Sterne soweit verlangsamen, dass in voraussichtlich 10 bis 20 Milliarden Jahren geologisch wichtige radioaktive Elemente nicht mehr in ausreichender Menge im interstellaren Medium vorhanden sein werden, um auf einem neu entstandenen Planeten Plattentektonik in Gang zu halten und ihn so durch den Carbonat-Silicat-Zyklus für die Bildung von Leben im Sinne der zirkumstellaren habitablen Zone geeignet zu machen.
Das Konzept einer Zone, in der Leben wie auf der Erde entstehen kann, wurde 2001 auf galaktische Dimension erweitert.
Ursprünglich beinhaltete diese galaktische habitable Zone (engl. galactic habitable zone, GHZ) nur den chemischen Entwicklungsstand einer galaktischen Region, wonach genügend schwere Elemente in einer Region einer Galaxie vorhanden sein müssen, damit Leben entstehen kann. Die meisten Elemente mit größeren Ordnungszahlen als Lithium entstehen erst im Laufe der Zeit durch Kernfusionsprozesse, die im Inneren der Sterne ablaufen, und beim Tod der Sterne ins interstellare Medium abgegeben werden. In den inneren Regionen einer Galaxie läuft diese Nukleosynthese schneller ab als in den äußeren Regionen, weswegen man einen maximalen Radius der galaktischen habitablen Zone definieren kann.
Später kam als weiteres Kriterium hierzu die Sternbildungsrate in der jeweiligen Region einer Galaxie hinzu. Befindet sich ein Stern mit einem Planeten zu dicht an einer Supernovaexplosion, die bevorzugt in Regionen mit aktiver Sternbildung stattfinden, wird dadurch die Atmosphäre des Planeten zu sehr gestört und der Planet zu starker kosmischer Strahlung ausgesetzt, als dass sich Leben dauerhaft entwickeln könnte. Für Spiralgalaxien wie unsere Milchstraße steigt die Supernovarate zu den inneren Regionen einer Galaxie hin an. Daher kann man auch einen inneren Radius der galaktischen habitablen Zone angeben.
Das bedeutet, dass die galaktische habitable Zone einer Spiralgalaxie wie der Milchstraße einen Ring um das Zentrum der Galaxie bildet. Innerhalb dieses Rings ist die Sterndichte zu hoch, außerhalb ist die Dichte zu gering, als dass genug Sterne schon genug schwere Elemente produziert haben. Im Laufe der Zeit vergrößert sich der Bereich jedoch nach außen. Andererseits sind viele dieser Parameter sehr unsicher, so dass es auch durchaus möglich sein kann, dass die gesamte Milchstraße in diesem Sinne „bewohnbar“ ist.
Kosmisches habitables Alter
Dem Konzept des habitablen Alters des Universums (engl. cosmic habitable age, CHA) liegen die chemische Entwicklung der Galaxien seit dem Urknall und die Erkenntnisse über die Strukturentwicklung der Galaxien und Galaxienhaufen zugrunde. Ausgehend von den Erfahrungen der chemischen Evolution auf der Erde kann im Universum seit mindestens 3,5 Milliarden Jahren Leben existieren und wahrscheinlich seit höchstens 5 Milliarden Jahren. Andererseits wird sich in Zukunft die Nukleosynthese durch Sterne soweit verlangsamen, dass in voraussichtlich 10 bis 20 Milliarden Jahren geologisch wichtige radioaktive Elemente nicht mehr in ausreichender Menge im interstellaren Medium vorhanden sein werden, um auf einem neu entstandenen Planeten Plattentektonik in Gang zu halten und ihn so durch den Carbonat-Silicat-Zyklus für die Bildung von Leben im Sinne der zirkumstellaren habitablen Zone geeignet zu machen.
© Matthias Voß