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Wie wir in Zukunft nach Leben suchen könnten

Die von PlanetS-Forschern vorgeschlagene Mission „LIFE“, könnte mit einer direkten Herangehensweise dabei helfen, Fragen zur Bewohnbarkeit unserer kosmischen Umgebung zu beantworten.

Wer nachts in den Himmel blickt wird sich früher oder später unweigerlich die Frage stellen: „Sind wir allein?“

Bisher hat die Wissenschaft darauf keine Antwort. Obwohl seit den 1990er Jahren gewiss ist, dass auch jenseits der Grenzen unseres Sonnensystems Planeten um Sterne kreisen und seither über 4000 dieser Exoplaneten entdeckt wurden. Die Vielfalt dabei ist beachtlich. Von glühend heissen Gasriesen, über Styropor-ähnliche Planeten bis hin zu in Eis gehüllte Ozeanwelten ist alles erdenkliche in den Weiten des Weltalls zu finden. In den kommenden Jahren werden durch Missionen wie CHEOPS wohl noch etliche weitere entdeckt werden.

Doch welche würden als Zuhause für Lebensformen in Frage kommen? Sind solche Planeten selten? Gibt es allenfalls bereits bewohnte Welten? Eine Initiative von Forschern des PlanetS möchte in den nächsten Jahrzehnten die Raumfahrtsmission „Large Interferometers For Exoplanets“, kurz „LIFE“, realisieren, die uns dabei helfen könnte diese Fragen zu beantworten.

 

Die Suche eingrenzen

Naheliegend ist es, nach erdähnlichen Planeten zu suchen. Das heisst: Planeten, welche ausreichend Strahlung und Energie von ihrem Stern erhalten, um flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche zu ermöglichen – zwischen etwa 0,35 und 1,75 mal derjenigen Menge, die die Erde erhält. Ausserdem sollten sie auch die richtige Grösse haben: gross genug um über genügend Schwerkraft zu verfügen um eine stabile Atmosphäre zu halten aber nicht zu massereich, dass Unmengen an Wasserstoff und Helium in der Entstehungsphase angezogen wurden (maximal 1,5 mal so gross wie die Erde). Und sie müssen gut untersuchbar sein. In diesem Kontext bedeutet das: das Signal der Planetenstrahlung sollte während der ersten Phase der Mission, in der geeignete Planeten gesucht werden, mindestens fünf mal stärker sein als das der Hintergrundstrahlung und anderer Rauschquellen. Von Kandidaten dieser Sorte könnten sich gemäss PlanetS-Forscher Sascha Quanz knapp 50 in unserer näheren kosmischen Umgebung befinden. In einer zweiten Missionsphase würden diese Planeten dann nochmals und für einen längeren Zeitraum beobachtet und genauer untersucht. 

Für diese Schätzung simulierte der Forscher gemeinsam mit Kolleginnen die Planetensysteme im Umkreis von etwa 60 Lichtjahren. Dabei orientierten sie sich an Daten der NASA Kepler Mission, die über 9 Jahre knapp 2700 Exoplaneten entdeckte. „Diese 50 Planeten basieren auf dem gegenwärtigen Stand unserer Kenntnisse“, betont Quanz gegenüber PlanetS. „Allerdings hat man bisher in unserer unmittelbaren Nachbarschaft erst wenige Planeten dieser Art entdeckt“. Denn die Methoden, mit denen Exoplaneten bisher aufgespürt wurden, sind für solche erdähnlichen Welten nicht besonders geeignet.

 

Sascha Quanz, Professor für Exoplaneten und and Habitabilität an der ETH Zürich. (Bild ETHZ).

Bisherige Methoden finden nur einen Bruchteil aller Planeten

Zurzeit werden Exoplaneten vor allem durch indirekte Methoden aufgespürt. Allen voran durch die Transit-Methode, bei der die Verdunkelung des Sternes gemessen wird, wenn der Planet daran vorbeizieht. Diese Methode hat aber gravierende Nachteile, Quanz erklärt: „Die Wahrscheinlichkeit eines Transits erdähnlicher Planeten vor einem sonnenähnlichen Stern liegt bei etwa 0,5 Prozent. Das heisst, von 200 Planeten findet diese Methode statistisch gesehen nur einen einzigen halben“. Ausserdem reicht ein einzelner Transit nicht um Planeten eindeutig zu identifizieren. Denn eine scheinbare Verdunkelung könnte etwa auch von Effekten wie Hintergrundsternen oder Messfehlern verursacht werden. Deswegen müssen mehrere, periodische Transits gemessen werden. Je nach Umlaufzeit kann das viele Jahre in Anspruch nehmen. Hinzu kommt: erdähnliche Planeten sind relativ klein, was die Verdunkelung des Sternes nur schwer registrierbar macht.

Bei der angedachten LIFE-Mission soll darum eine Messmethode zur Anwendung kommen, mit der die Exoplaneten direkt betrachtet werden können: die sogenannte „Nulling-Interferometer-Methode“. Dabei wird die Sternenstrahlung, die auf mehrere Teleskope trifft, mithilfe eines zentralen Elementes so kombiniert, dass sich deren Wellen gegenseitig auslöschen. Dadurch wird das helle Sternenlicht abgedunkelt und die schwache Strahlung des Planeten wird erkennbar – ähnlich, wie wenn man die Sonne mit der Hand verdeckt, um ein vorbeifliegendes Flugzeug zu sehen.

 

Eine konzeptionelle Illustration der Teleskope und dem zentralen Instrument zur Kombination der Strahlen (Quelle: ETH Zürich).

„Wenn du das richtig machst, sind von 200 Planeten statt eines einzigen auf einmal alle detektierbar!“, so Quanz. Die direkte Betrachtung wäre also grosser Fortschritt – zumindest für die nähere kosmische Umgebung, die mit dieser Methode beobachtet werden kann.

Wie eine Beobachtung dereinst aussehen könnte, zeigt das folgende Bild. Darauf ist die Messung von simulierter Planeten- und Hintergrundstrahlung zu sehen. Der Planet ist oben rechts in gelb zu erkennen. Die Farbe bezeichnet das Signal-zu-Rauschen Verhältnis der Messung (SNR). Links unten sind Nebensignale, die aufgrund der Symmetrie der Teleskope auftreten.

Simulierte Beobachtung eines Planeten mit dem Simulationstool LIFEsim. (Quanz et al., in prep)

Diese Messungen können neben Schätzungen der Planetengrösse auch solche zur Oberflächentemperatur zulassen. Anhand dieser Informationen können die Forscherinnen dann beurteilen, bei welchen Kandidaten sich weitergehende Untersuchungen lohnen könnten. Denn erst längere Beobachtungen geben verlässlich Aufschluss darüber, welche Planeten tatsächlich von einer Atmosphäre umhüllt sind und welche Zusammensetzung diese hat.

 

Ist die Erde eine Ausnahme?

Diese Informationen erhalten die Forscherinnen aus dem sogenannten Strahlungs-Spektrum der Planeten. Dieses zeigt, wie stark die Planeten in verschiedenen Bereichen des Infrarotlichtes ihre Wärmestrahlung abgeben. Das gemessene Spektrum kann dann mit einem Modellspektrum eines Körpers derselben Temperatur verglichen werden. Dadurch wird klar, ob Teile der Strahlung fehlen.

Am Beispiel des Spektrums der Erde, abgebildet in der folgenden Grafik, lässt sich das gut illustrieren. Die rote Kurve entspricht der Strahlung, die von der Oberfläche ausgeht. Die schwarze Kurve gibt die vom Weltraum aus gemessene Strahlung wieder. Die Differenz der beiden Kurven zeigt, dass Teile der Erdstrahlung durch Gase in der Atmosphäre absorbiert werden. Da Absorptionsbereiche charakteristische Merkmale von Gasen sind, kann durch das Spektrum auf Zusammensetzung der Atmosphäre geschlossen werden. Die starke Absorption im Bereich von etwa 5 bis 8 Mikrometer oder jenseits von 17 Mikrometer weist etwa auf die Anwesenheit von Wasserdampf (H2O) hin.

Simuliertes Erdspektrum. Quelle: Line et al., 2020

 

Zeigen die von den „LIFE“-Instrumenten gemessenen Spektren der erdähnlichen Exoplaneten ebenfalls Lücken im Absorptionsbereich von Wasserdampf und liegt die ermittelte Temperatur des Planeten im richtigen Bereich, wäre dies ein Indiz für die Bewohnbarkeit. Absorption im Bereich von Methan (CH4) oder Ozon (O3) und insbesondere deren gemeinsames Auftreten, wie es bei der Erde der Fall ist, würde auf Leben hindeuten, wie Quanz erklärt: „Da Methan und Ozon in der Atmosphäre rasch miteinander reagieren, kann deren Koexistenz nur kontinuierliche biologische Aktivität erklärt werden.“

Selbst wenn keiner der untersuchten Planeten Hinweise auf Leben zeigen sollte, würde das nicht ausschliessen, dass sie dennoch bewohnt sein könnten. „Auch auf der Erde wäre über die ersten zwei Milliarden Jahre keine entsprechende Signatur messbar gewesen, obwohl sie bereits von Mikroben bewohnt war. Und auch bei negativen Resultaten im Hinblick auf Wasser, wäre die Mission nicht um sonst: „Gemäss statistischen Hypothesen-Tests können wir ab etwa 30 bis 50 Planeten, die zwar im bewohnbaren Bereich sind aber kein Wasser enthalten sagen: Bewohnbarkeit ist schlicht selten“, wie Quanz erläutert. Die Erde könnte also eine Ausnahme sein.

So oder so, die LIFE-Mission könnte uns Antworten auf ganz grosse Fragen geben und damit die Führungsrolle der Schweiz im Bereich der Exoplanetenforschung festigen. Ob das Projekt innerhalb des Wissenschaftsprogramms der ESA umgesetzt wird ist noch unklar – noch wird im Rahmen des Voyage-2050 Prozesses darüber diskutiert. Im Herbst sollten wir mehr wissen.

 

 

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