Die Atmosphären von Exoplaneten nach Lebenszeichen absuchen

Wir haben uns seit den Anfängen der modernen Wissenschaft eine universelle Frage gestellt: Sind wir allein? In den Anfängen der Astronomie dachten Wissenschaftler, die Erde sei das Zentrum von allem. Aber als sich diese erdzentrierte Sichtweise schließlich änderte und wir realisierten, dass wir nur einen Stern unter unzähligen Millionen umkreisen, konnten wir uns nicht helfen, uns zu fragen, was es sonst noch geben könnte.

Erst 1992, als Wissenschaftler einen Planeten um Pulsar PSR B1257 + 12 entdeckten, konnten die Astronomen bestätigen, dass es außerhalb unseres Sonnensystems viele vermutete Planeten gab. Aber wie viele?

25 Jahre schneller Vorlauf, und wir kennen jetzt mehr als 5.000 extrasolare Planeten oder Exoplaneten, hauptsächlich dank des Kepler-Weltraumteleskops. Darüber hinaus gibt es rund 3.000 mit eigener Atmosphäre. Jetzt arbeiten Astronomen unermüdlich an der Beantwortung der spannenden Frage - sind einige der Planeten dort draußen unseren ähnlich?

Künstlerische Darstellung des Exoplaneten Kepler-22b, der etwa 600 Lichtjahre von der Sonne entfernt ist. Der Planet befindet sich in der bewohnbaren Zone und könnte möglicherweise eine Wasserwelt sein, wie sie in unserem Sonnensystem nicht zu finden ist. NASA / Ames / JPL-Caltech

Eine Reihe von SETI-Forschern, die sich der Beantwortung dieser Frage verschrieben haben, versammelten sich kürzlich an der Stanford University für die Breakthrough Discuss-Konferenz, eine Veranstaltung, die von den von dem russischen Milliardär Yuri Milner gegründeten Breakthrough Initiatives ausgerichtet wurde. Der Durchbruch wird von Stephen Hawking, Mark Zuckerberg, Jill Tarter und Frank Drake unterstützt. Das Ziel ist einfach und doch weitreichend: Sie wollen feststellen, ob nicht nur in unserem Sonnensystem, sondern überall in der gesamten Galaxie fremdes Leben existiert.

Der erste Schritt besteht darin, alles zu lernen, was mit bodengestützten Teleskopen möglich ist. Während wir nicht sehen können, ob entfernte Exoplaneten tatsächlich Leben beherbergen oder nicht, können wir nach Hinweisen suchen, um herauszufinden, ob sie bewohnbar sein könnten. Wenn es noch andere erdähnliche Planeten mit Ozeanen, Bergen und aktiver Geologie gibt, besteht eine vernünftige Chance, dass das Leben es geschafft hat, Fuß zu fassen. Es gibt eine kurze Liste von ungefähr einem Dutzend Planeten, die Wissenschaftler als "erdähnlich" bezeichnen, obwohl nichts, was wir bisher gefunden haben, der zufälligen Kombination von Oberflächenflüssigkeit, Schutzatmosphäre und der richtigen Entfernung von einem Stern nahekommt das hat unsere Welt erschaffen.

Für Exoplanetenjäger ist die Entfernung die größte Hürde. Die Suche nach Leben jenseits unseres Sonnensystems hat sich der Analyse der Zusammensetzung fremder Atmosphären mit Teleskopen zu Hause zugewandt, was eine unglaublich schwierige Aufgabe ist. Es ist schwer, Pluto von der Erde zu lösen, geschweige denn einen kleinen Körper, der Milliarden von Meilen weiter entfernt ist.

Wir wissen, dass es andere Planeten gibt, die ungefähr die gleiche Masse wie die Erde haben, eine Atmosphäre haben und sich in der sogenannten "Goldlöckchen" -Zone ihrer Sonnensysteme befinden, was bedeutet, dass sich auf diesen Planeten flüssiges Wasser befinden könnte - die Hauptleitung für das Leben wie wir es kennen. Eine Art Fehlbezeichnung in der Welt der Exoplaneten ist jedoch das Wort "bewohnbar". Während es Bilder einer üppigen Landschaft mit sich schlängelnden Flüssen, Sandstränden und der Bequemlichkeit von atmungsaktiver Luft heraufbeschwören könnte, haben Astronomen eine andere Vorstellung von dem Wort. In der Astronomie bedeutet "bewohnbar" eigentlich nur zwei Dinge: Der Planet ist felsig und umkreist die Goldlöckchen-Zone.

Wenn wir wirklich über eine bewohnbare Welt nachdenken wollen, müssen wir verstehen, was in der Atmosphäre eines Exoplaneten vor sich geht. "Wir müssen nach dem Sauerstoff suchen", sagte Mercedes Lopez-Morales in ihrem Breakthrough Discuss-Vortrag.

Lopez-Morales ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Smithsonian Astrophysical Observatory und hielt einen Vortrag darüber, wie wir diese Atmosphären auf Lebenszeichen untersuchen können. "Im Moment wissen wir, dass wir Wasser brauchen, damit das Leben existiert. Aber wir wissen nicht, ob der Planet Wasser haben wird, aber das Leben hat noch nicht begonnen. Sauerstoff sagt Ihnen jedoch etwas über das Leben. In der Vergangenheit sogar obwohl die Erde Wasser hatte, wurde kein Sauerstoff gefunden, bis das Leben erschien. "

Sie schlägt vor, in diesen Atmosphären nach Sauerstoff zu suchen. Dabei wird eine Technik namens hochauflösende Spektroskopie verwendet, bei der im Wesentlichen hochauflösende Daten des Lichts gesammelt werden, das durch die Atmosphäre eines Planeten fließt. Wenn ein Exoplanet vor seinem Elternstern vorbeikommt, taucht das Sternenlicht den Planeten auf und krümmt sich um und durch die Atmosphäre.

Wenn ein wirklich großes Teleskop dies beobachtet, kann es genug dieser transienten Photonen sammeln, um ein ganzes Spektrum des durch die Atmosphäre gefilterten Lichts zu erzeugen. Bestimmte Elemente und Moleküle absorbieren bestimmte Lichtfrequenzen und erzeugen Lücken im Spektrum - eine Art Fingerabdruck der atmosphärischen Zusammensetzung des Planeten. Abhängig davon, wo diese Lücken liegen, können Astrophysiker ableiten, welche Elemente in der Atmosphäre fremder Welten vorhanden sind. (Dieselbe Technik wird verwendet, um die Zusammensetzung von Sternen zu identifizieren).

Die Emissions- und Absorptionsspektren verschiedener Elemente. Michael Richmond / Rochester Institute of Technology

Das Problem ist, dass es keine Instrumente gibt, mit denen diese Art der Alien-Jagdspektroskopie durchgeführt werden kann, insbesondere nicht für weiter entfernte erdgroße Körper.

"Wir wissen, dass jeder vierte kleine Stern einen Planeten haben sollte. Ausgehend von diesen Zahlen gibt es ungefähr 250, so dass es nach dieser Zählung ungefähr 60 erdähnliche Planeten innerhalb von 32 Lichtjahren von der Erde gibt", sagt Lopez. Morales. Und während diese auf der kosmischen Karte nah beieinander liegen, ist es immer noch zu schwierig, Sauerstoff in Atmosphären zu detektieren, die Dutzende von Lichtjahren entfernt sind. "Es gibt heute kein Teleskop, das dies in angemessener Zeit erledigen kann", erklärt Lopez-Morales. "Es könnte 60 Jahre dauern."

Glücklicherweise könnten einige im Bau befindliche Teleskope das Problem lösen. Astronomen planen, das riesige Magellan-Teleskop zu verwenden, wenn es in Chile fertiggestellt ist, und das künftige 30-Meter-Teleskop in Hawaii. Mehrere Bereiche müssten jedoch zusammenarbeiten, um genügend Daten zu sammeln - eine kostspielige Leistung. "Wir brauchen nur größere Photonenbehälter", sagt Lopez-Morales. "Wenn wir genug Photonen von diesen Sternen sammeln können, können wir die Signaturen von Molekülen wie Sauerstoff auffangen."

Im Moment konzentrieren sich viele darauf, unseren nächsten extrasolaren Nachbarn, Proxima Centauri b, besser zu verstehen, der nur 4,2 Lichtjahre entfernt ist und den nächsten Stern umkreist. Es passiert jedoch nicht seinen Wirtsstern Proxima Centauri, weshalb Wissenschaftler sich nicht sicher sind, ob der Planet eine Atmosphäre hat, geschweige denn, wie seine chemische Zusammensetzung ist.

Die Darstellung dieses Künstlers zeigt den Planeten Proxima b, der den roten Zwergstern Proxima Centauri umkreist, der unserem Sonnensystem am nächsten ist. ESO / M. Kornmesser

Dr. Victoria Meadows ist Professorin für Astronomie und Leiterin des Astrobiologie-Programms an der University of Washington. Sie arbeitet an der Suche nach Biomarkern an Orten wie Proxima b. "Abhängig von der Entwicklungsgeschichte von Proxima kann der Temperaturbereich zwischen 254 Kelvin (zu kalt für das Leben) und 640 Kelvin (eher eine Venus) liegen", sagt Meadows. "Dies ist ein Planet in einer bewohnbaren Zone. Was mit dem Planeten geschieht, hängt von seiner Entwicklung ab. Potenziell bewohnbar und ein 'großartiger Ort zum Leben' ist möglicherweise nicht der beste Ort für den 'Ursprung des Lebens'." Nur weil die Bedingungen gut für das Leben sind, heißt das noch lange nicht, dass die Bedingungen überhaupt richtig waren, damit das Leben überhaupt in Gang kam.

Ein weiteres ehrgeiziges Projekt von Breakthrough heißt Breakthrough Starshot und zielt darauf ab, eine Flotte von nanoskaligen Raumschiffen nach Proxima b zu schicken, da dies der Exoplanet ist, der uns am nächsten liegt. Aber um diese 25-Billionen-Meilen-Reise für sich zu nutzen, muss das Team wissen, ob es etwas gibt, das es wert ist, erforscht zu werden. Daher ist es ein Muss, eine Atmosphäre für den Planeten zu bestimmen.

Ein Großteil dieses Gebiets ist immer noch ein Rätsel, da vor fünf Jahren noch wenig über Exoplaneten bekannt war. Jetzt versuchen Forscher auf der ganzen Welt, Beweise für das Leben zu finden. In weiteren fünf Jahren ist nicht abzusehen, wie weit die Wissenschaft fortgeschritten sein wird. Sie haben zweifellos einen weiten Weg vor sich, um sich angesichts der kosmischen Entfernungen einer Vielzahl technischer Herausforderungen zu stellen. Aber mit Initiativen wie Breakthrough, die mit den besten Forschungseinrichtungen der Welt zusammenarbeiten, können wir möglicherweise einen Lichtstrahl aus einer fernen Welt mit einem Marker namens "Sauerstoff" lokalisieren.

Die Frage, die so alt ist wie die Astronomie, bleibt jedoch vorerst unbeantwortet.