Lebenszeichen von der Venus?

In höheren atmosphärischen Schichten sind die Bedingungen zwar freundlicher. Doch es ist dort extrem trocken: Es gibt weniger Wasser-Moleküle als an jedem Ort auf der Erde – und praktisch keine Nährstoffe. Außerdem ist die Luft voller Schwefelsäure (rund 75 Prozent der Masse). Die Wolkentröpfchen sind Milliarden Mal so sauer wie die sauersten irdischen Gebiete. Hinzu kommen große Mengen an chlorhaltigen Aerosolen. Das alles würde Leben, wie wir es auf der Erde kennen, praktisch unmöglich machen.

Doch wenn nicht alles täuscht, enthalten hoch gelegene Venus-Wolken eine erstaunliche Menge an PH3-Molekülen, die auf der Erde von Bakterien erzeugt werden – und von Menschen.

Schock im Millimeter-Bereich

„Die ersten Hinweise im Venus-Spektrum waren ein Schock“, erinnert sich Jane Greaves, die Leiterin der Forschungsgruppe. „Eigentlich haben wir die Messungen nur aus Neugier gemacht.“ Die Astronomin an der britischen Cardiff University entdeckte die Indizien in den Messungen, die sie und ihr Team mit dem James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) vornahmen. Es steht auf dem über 4000 Meter hohen Vulkanberg Mauna Kea auf Hawaii. Mit einem Antennen-Durchmesser von 15 Metern ist es das weltgrößte Einzelteleskop für Beobachtungen im Submillimeter-Bereich, dem kurzwelligen Ende der Radiostrahlung. Diese Messungen fanden im Juni 2017 statt.

Verschiedene Moleküle hinterlassen unterschiedliche charakteristische Ab-sorptionslinien im elektromagnetischen Spektrum. Überraschenderweise zeigte sich bei 1,123 Millimeter Wellenlänge auch eine Signatur von Phosphan. Doch das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis war zu klein, um als statistisch signifikanter Nachweis zu überzeugen. Aufsehen erregten die Anzeichen dennoch, weil Phosphan als Biomarker diskutiert wird.

Jedenfalls waren bessere Daten nötig. Als ein noch empfindlicheres Observatorium kam hierfür nur ALMA infrage: das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array auf der über 5000 Meter hoch gelegenen Chajnantor-Hochebene in den nordchilenischen Anden. Dieses internationale Observatorium wird vom European Southern Observatory (ESO) betrieben in Zusammenarbeit mit dem National Radio Astronomy Observatory der USA sowie Organisationen aus Kanada, Taiwan, Japan und Südkorea. Im März 2019 wurden 45 der 66 ALMA-Antennen auf die Nachbarwelt gerichtet. (Weitere geplante Messungen Anfang 2020 mussten wegen der Corona-Pandemie ausgesetzt werden.)

„Zum Glück waren die Wetterbedingungen gut, als der Planet in einem geeigneten Winkel zur Erde stand“, erinnert sich Anita Richards vom ALMA Regional Center an der University of Manchester. „Die Datenverarbeitung war jedoch eine Herausforderung, da ALMA normalerweise nicht nach subtilen Effekten bei sehr hellen Objekten wie der Venus sucht.“

Nach einem halben Jahr aufwendiger Analysen und Überprüfungen wurde klar: „Beide Observatorien haben dasselbe beobachtet: eine schwache Absorption vor dem Strahlungshintergrund der wärmeren, tiefer gelegenen Wolken genau bei der Wellenlänge von Phosphan“, berichtet Jane Greaves. Die spektrale Auflösung der Messungen war exzellent – die Wellenlängen-Bereiche betrugen lediglich 0,0005 bis 0,08 Millimeter, zentriert um die Phosphan-Linie bei 1,123 Millimeter.

Dass die Teleskope Phosphan nicht auf der Venus gemessen haben, sondern in der irdischen Luft oder im Weltraum, konnte das Wissenschaftlerteam ausschließen. „Im interplanetarischen Medium gibt es keine PH3-Moleküle, denn sie würden von der Sonnenstrahlung sofort zerstört“, sagt Jane Greaves. „Und Absorptionslinien in der Erdatmosphäre wären woanders im Spektrum gemessen worden, denn es gibt einen Versatz aufgrund der Relativgeschwindigkeit der Planeten von über zehn Kilometern pro Sekunde. Dass die Linie mit der Venus-Geschwindigkeit übereinstimmt, konnten wir auf 0,3 Kilometer pro Sekunde genau messen.“

Die höchsten Phosphan-Konzentrationen wurden in mittleren Breiten festgestellt, wo es stabile Luftzirkulationsmuster gibt (70 bis 90 Tage). Zwischen den Polen und etwa dem 60. Breitengrad war PH3 für ALMA nicht nachweisbar. Das Phosphan befindet sich in mindestens 55 Kilometer Höhe, wo die Temperatur mit etwa 30 Grad Celsius moderat ist und der Luftdruck rund 0,5 Bar beträgt. Ob das Phosphan hier entsteht oder aus tieferen, wärmeren Schichten nach oben diffundiert, ist unklar.

Mehr als in der Erdatmosphäre

Um die Daten zu interpretieren, kam das Modell einer Venus-Atmosphäre zum Einsatz, das Hideo Sagawa von der japanischen Kyoto-Sangyo-Universität ausgearbeitet hat. Er errechnete, wie gering der Phosphan-Anteil ist: nur etwa 20 Teile pro Milliarde Teilen (oder 0,000.002 Prozent). Das ist freilich immer noch mehr als das Tausendfache der PH3-Konzentration in der irdischen Lufthülle.

Der Ursprung des Phosphans auf der Venus wirft Fragen auf. Dass es Phosphor in der Atmosphäre gibt, wurde bereits im Jahr 1985 von der sowjetischen Eintauch-sonde Vega 2 entdeckt, allerdings blieb aufgrund der Messungen mithilfe von Röntgenstrahlung unklar, in welchen Molekülen das Element vorkommt. Auf der Erde ist Phosphor ein wichtiges Lebenselement – etwa als Teil der Erbsubstanz und des Energiestoffwechsels in den Zellen.

Eigentlich hatten Planetenchemiker erwartet, dass die meisten Phosphor-Atome, falls sie überhaupt in der Venus-Atmosphäre zu finden sind, sich mit Sauerstoff-Atomen zu Molekülen verbinden, nicht aber mit Wasserstoff-Atomen. Denn Sauerstoff gibt es dort in riesigen Mengen – überwiegend gebunden im Kohlendioxid (CO2).

Zwar existiert PH3 in den Atmosphären von Jupiter und Saturn, wie Messungen der Raumsonden Voyager, Galileo und Cassini schon ab den 1970er-Jahren nachgewiesen haben. Bei diesen Riesenplaneten herrschen jedoch ganz andere physikalische und chemische Bedingungen. Dort wird Phosphan in großer Tiefe bei noch viel extremeren Temperaturen und Druckverhältnissen als auf der Venus erzeugt und durch atmosphärische Zirkulation nach oben transportiert. Im Gegensatz zu den Gasriesen ist Venus ein Gesteinsplanet mit fester Oberfläche. Dort finden solche chemischen Reaktionen nicht in dem nötigen Ausmaß statt, um die Beobachtungen zu erklären, weil die Energie dafür nicht ausreicht.

Wie also kommt das Molekül in die Venus-Atmosphäre? Um das zu klären, kontaktierte Jane Greaves die Phosphan-Spezialistin Clara Sousa-Silva vom Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences am Massachusetts Institute of Technology (MIT) im US-amerikanischen Cambridge. Die Astrophysikerin denkt schon länger über Phosphan-Spurensuche als Biomarker bei Exoplaneten nach, rechnete aber nicht damit, dass nun plötzlich die Venus relevant wird.

Rätselhafter Misserfolg

Die Forscher hatten eine schwere Zeit, als sie mögliche Reaktionswege für eine anorganische PH3-Entstehung analysierten – und letztlich keinen Erfolg. Dabei unternahmen sie große Anstrengungen, um den potenziellen Ursprung des Phosphans zu analysieren. William Bains und Janusz Petkowski am MIT berechneten alle bekannten photochemischen und geochemischen Reaktionen mit ausgeklügelten Computermodellen. Sie studierten viele Möglichkeiten. So speien Vulkane diverse Substanzen aus, die Ausgangsstoffe für viele chemischen Reaktionen sind, Stürme fegen über die Oberfläche und wirbeln Minerale auf, Blitze in der Atmosphäre und das energiereiche Sonnenlicht sorgen für komplexe Reaktionsprozesse in den Wolken. Und einfallende Meteoriten erweitern das chemische Repertoire ebenfalls. Bei all diesen Vorgängen können sich geringe Mengen von Phosphan bilden – doch selbst im Maximum sind es um den Faktor 10.000 weniger als die tatsächlich gemessene Konzentration, lautet das Ergebnis der Studie.

Fazit: Die Blitze in Venus-Gewittern reichen nicht einmal aus, um ein Zehnmillionstel der gemessenen Phosphan-Konzentration zu erzeugen. Auch die vulkanische Aktivität ist viel zu gering. Sie müsste mehr als das 200-Fache als auf der Erde betragen. Mit einer Quelle aus dem All ist ebenfalls nicht zu rechnen: Meteoriten könnten höchstens ein paar Tonnen Phosphor jährlich in die Atmosphäre einbringen. Und exotische Prozesse, etwa durch den Einfluss von Protonen aus dem Sonnenwind, können PH3 bloß in vernachlässigbaren Mengen bilden.

Erschwerend kommt hinzu, dass ständig Nachschub nötig ist. „Licht zerstört die Phosphan-Moleküle, sie müssen also kontinuierlich nachgeliefert werden“, sagt der Biochemiker Bains. Je nach Schicht hält sich PH3 einige Jahrhunderte oder nur wenige Stunden – in planetarischen Maßstäben sind das quasi nur Augenblicke. Um die gemessenen Konzentrationen zu erklären, ist mindestens ein Phosphan-Nachschub von etwa einer Million bis zehn Millionen Molekülen pro Sekunde und Quadratzentimeter Fläche nötig. „Es könnte sich um unbekannte photochemische oder geochemische Prozesse handeln oder möglicherweise um Leben“, schreibt das Forscherteam in der wissenschaftlichen Publikation. „Es fehlt an Informationen. So ist die Photochemie in den Wolkentröpfchen der Venus kaum bekannt.“

Die Forscher fanden also kein Szenario, das die gemessenen Mengen erzeugen könnte – es sei denn, es wären biochemische Reaktionen wie in irdischen Organismen. „Wir haben alle bekannten Phosphan-Quellen ausgeschlossen – außer Leben“, resümiert William Bains. „Das bedeutet, dass es entweder wirklich Leben auf der Venus gibt, oder es handelt sich um physikalisch-chemische Prozesse, die wir auf Gesteinsplaneten bislang nicht erwartet haben“, kommentiert Janusz Petkowski. „Es ist schwierig, ein Negativergebnis zu beweisen“, ergänzt Clara Sousa-Silva. „Nun müssen andere Wissenschaftler Wege finden, wie das Phosphan ohne Leben entstanden sein könnte. Wir sind am Ende unserer Möglichkeiten angelangt.“

Keine unrealistischen Zahlen

In der irdischen Atmosphäre ist der PH3-Gehalt um mehr als den Faktor 10.000 geringer als in der Venus-Luft. Um das dort gemessene Phosphan zu erzeugen, müssten irdische Mikroben rein rechnerisch bloß etwa ein Zehntel ihrer Produktivität einsetzen, schätzt Paul Rimmer von der Cambridge University. Freilich würden sich Venus-Bakterien – falls es sie gibt – stark von irdischen unterscheiden. Denn selbst die säureresistentesten Erdlinge könnten den Säuregehalt in den Venus-Wolken nicht ertragen.

Manasvi Lingam und Abraham Loeb von der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, die keine Mitglieder von Jane Greavesʼ Team sind, haben mit einem einfachen Modell die Biomasse in der Venus-Atmosphäre zu schätzen versucht, falls das Phosphan tatsächlich von Mikroorganismen stammen sollte. Abhängig von der (bio)chemisch verfügbaren Energie „sind die typischen Biomasse-Dichten einige Größenordnungen kleiner als in der irdischen Luft-Biosphäre“, lautet ihr Fazit. In der Erdatmosphäre beträgt die Dichte ungefähr 44 Milligramm pro Kubikmeter. (Die gesamte Biomasse auf der Erdoberfläche sowie darunter und darüber wird auf eine Billion Tonnen geschätzt). In der Venus-Luft wären nur 10–5 bis 10–9 Milligramm pro Kubikmeter nötig (oder insgesamt eine bis 10.000 Tonnen) – also weit weniger, als in der Erdatmosphäre vorhanden ist. Das sind grobe Schätzungen mit beträchtlichen Unsicherheiten, aber sie zeigen, dass hypothetisches Venus-Leben keine unrealistischen Annahmen erfordert oder gegen bekannte physikalische Randbedingungen verstößt.

Begeisterung, Zweifel und Ärger

„Ein Nachweis von Leben in der Venus-Atmosphäre wäre ein großer Durchbruch für die Astrobiologie“, kommentiert der ESO-Astronom und ALMA-Manager Leonardo Testi, der nicht zu Greavesʼ Team gehört. „Es ist daher wichtig, dieses aufregende Ergebnis mit zusätzlichen Studien durch Theorie und Beobachtung weiter zu verfolgen.“

Auch David Grinspoon vom Planetary Science Institute in Tucson, Arizona, der schon seit Längerem über Leben auf der Venus spekuliert, ist von den neuen Forschungsresultaten begeistert. „Wir brauchen mehr Daten, aber dies könnte die erste Beobachtung einer fremden Biosphäre sein – und das auf der uns nächstgelegenen Welt im Universum.“

Gleichwohl ist Skepsis und Zurückhaltung angebracht. Phosphan kann ein Biomarker sein, muss es aber nicht. Die Schlussfolgerung darf momentan also nicht lauten, dass in der Venus-Atmosphäre Leben entdeckt wurde. Dafür ist es noch viel zu früh. Das schreibt das Forscherteam auch deutlich am Ende des Fachartikels: „Wir betonen, dass die PH3-Detektion kein robuster Beleg für Leben ist, sondern nur für eine anomale und unerklärliche Chemie. Es gibt schwerwiegende konzeptionelle Probleme bei der Vorstellung, dass Leben in den Venus-Wolken existiert. Wir haben jedoch viele chemische Reaktionswege zu PH3 ausgeschlossen, von denen die wahrscheinlichsten um vier bis acht Größenordnungen versagen.“

Es liegt daher nahe, unbekannte photochemische oder geochemische Reaktionen als Quelle zu vermuten. PH3 ist eigentlich ein einfaches Molekül. Um seinen Ursprung aus enorm komplexen Prozessen und Strukturen abzuleiten, wie sie Lebewesen nun einmal zugrunde liegen, braucht man schon sehr gute Gründe und Indizien.

„Trotz früherer Spekulationen – meistens von denselben Autoren – kann der Phosphan-Nachweis schwerlich als Biosignatur gelten“, kritisiert Gerald Joyce vom Salk Institute in Kalifornien, der über die Entstehung des Lebens forscht. Auch der Geowissenschaftler James Kasting von der Pennsylvania State University ist skeptisch. „Das Atmosphären-Modell ist bestenfalls unvollständig“, meint der Experte für Planetenatmosphären.

Innerhalb der Internationalen Astronomischen Union gab es sogar einen kleinen Eklat, als anonym eine Erklärung veröffentlicht – und rasch offiziell wieder zurückgezogen – wurde, dass die Phosphan-Entdeckung übertrieben oder missverständlich kommuniziert worden sei.

Dafür sind ein paar Presseberichte mancher Forschungsorganisationen mitverantwortlich – der fragwürdige Druck beim Jagen nach Aufmerksamkeit und bei der Suche nach werbewirksamer Präsentation macht eben auch vor der Wissenschaft nicht Halt. Während die japanische Pressestelle des ALMA-Teleskops nicht sehr aussagekräftig mit „Ein Schritt hin zum Verständnis eines Biomarker-Moleküls“ titelte und die Europäische Südsternwarte vorsichtig mit „Möglicher Marker von Leben auf der Venus gesichtet“, war das US-amerikanische Massachusetts Institute of Technology schon dezidierter: „Astronomen könnten eine Lebenssignatur auf der Venus gefunden haben“. Die altehrwürdige Royal Astronomical Society in Großbritannien überspannte mit „Hinweise für Leben auf der Venus“ dann schon den Bogen. Alle beteiligten Wissenschaftler haben jedoch stets differenziert kommuniziert und nur die Möglichkeit, nie die Faktizität eines biogenen Phosphan-Ursprungs diskutiert.

Weitere Forschungen

Immerhin gibt es bereits eine unabhängige, wenn auch nicht völlig eindeutige Bestätigung des Monophosphan-Vorkommens in der Venus-Luft. Sie stammt von der US-amerikanische Mission Pioneer Venus, die am 9. Dezember 1978 vier Eintauchsonden abgesetzt hatte. Eine trug ein Massenspektrometer an Bord, mit dem die Bestandteile der Atmosphäre gemessen wurden. Doch Phosphor und seine Verbindungen wurden in den 1979 und 1980 publizierten Auswertungen nicht erwähnt. Nun hat Rakesh Mogul von der California State Polytechnic University in Pomona mit drei Kollegen die Daten noch einmal analysiert. Im Bereich der Atommasseneinheiten zwischen 30,9 und 35,1 fanden die Forscher Hinweise auf PH3 und seine Abbauprodukte Phosphor, PH2 und PH sowie auf PH2D (bei dem ein Wasserstoff-Atom durch ein Deuterium-Atom ersetzt ist). „Die Daten passen zu einem Monophosphan-Vorkommen in 50 bis 60 Kilometer Höhe“, berichten die Wissenschaftler.

Während die Entdeckung des Phosphans unter den Experten kaum bezweifelt wird, sorgen die Erklärungsversuche seiner Entstehung für eine – ganz den Venus-Temperaturen gemäß – hitzige Debatte. So haben Ngoc Truong und Jonathan I. Lunine von der Cornell University in Ithaka, New York, argumentiert, dass das Phosphan auf eine geologisch aktive Venus hinweise – „enttäuschend für Biologen, aber faszinierend für Planetenwissenschaftler“. Die hochgerechnete Menge von mehr als zehn Millionen Tonnen PH3 in der Atmosphäre könnte aus chemischen Reaktionen von Phosphor und Phosphiden mit Wasser oder Schwefelsäure stammen. Dabei müssten jährlich über zehn Millionen Tonnen Phosphor und Phosphide (P3–Verbindungen mit Metall-Ionen) durch aktive Vulkane in die Atmosphäre geblasen werden. Dies würde mit fast 100 Kubikkilometer neuer Lava pro Jahr einhergehen. Die beiden Planetenforscher halten das mit den vorliegenden Beobachtungs- und Simulationsdaten für vereinbar, andere Wissenschaftler – auch aus Jane Greavesʼ Team – jedoch nicht. Der Hauptkritikpunkt: Truong und Lunine hätten die Phosphan-Abbaurate viel zu gering angesetzt. Ein realistischer Wert würde eine fast 1000-fach stärkere Vulkanaktivität erfordern – zwei Größenordnungen über der irdischen.

Zurück zur Venus!

Das Phosphan-Entdeckerteam bleibt enthusiastisch und genießt den Presserummel teilweise, trotz mancher Übertreibungen. Da sich die Botschaft gut verkauft, profitieren die Wissenschaftler durch zusätzliche Fördermittel. Allerdings fehlt es nicht an (selbst)kritischer Distanz. „Wir sind zu dem Ergebnis gekommen, dass durch die bekannten chemischen Prozesse nicht genug Phophan entsteht. Aber es bleibt die Möglichkeit, dass auf der Venus bislang unbekannte abiotische Prozesse ablaufen“, betont Hideo Sagawa. Er warnt vor zu großer Euphorie: „Wir haben viele Hausaufgaben zu machen, bevor wir exotische Schlüsse ziehen.“

Das wird auch geschehen. Zunächst müssen die Daten durch noch bessere Beobachtungen bestätigt werden. „Wir planen neue Messungen und versuchen, weitere Hinweise aufzuspüren, von wo genau auf dem Planeten das Phosphan stammt“, verspricht Jane Greaves. Mit ihrem Team wertet sie bereits zusätzliche Messdaten vom JCMT und von Infrarotteleskopen aus. Mehr sollen hinzukommen, wenn sich die Observatorien nach der Corona-Pandemie ohne Risiko betreiben lassen. „Hoffentlich erhalten wir 2021 wieder Beobachtungszeit mit ALMA“, sagt die Astronomin. „Wir streben eine ähnliche Auflösung an, brauchen aber mehr Zeit für die Kalibration, um die Schwankungen zu reduzieren.“

Auch die Messung einer weiteren Phosphan-Absorptionslinie bei 0,55 Millimeter wäre sehr hilfreich. „Das könnte mit SOFIA möglich sein“, meint die Astronomin. Die fliegende Sternwarte (Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie) der amerikanischen und deutschen Weltraumbehörden NASA und DLR beherbergt in einem umgebauten Boeing-747SP-Flugzeug ein 2,7-Meter-Teleskop für diesen Spektralbereich.

Außerdem soll geklärt werden, ob es tägliche oder saisonale Schwankungen in der Konzentration der Moleküle gibt. Falls sich die Indizien für Leben wirklich weiter erhärten, führt freilich kein Weg daran vorbei, mit Raumsonden vor Ort nachzusehen – und am besten, Proben zur Erde zu holen.