Gibt es da draußen irgendwo Leben? Eine neue Methode könnte nun der Fahndung nach belebten Exoplaneten zugutekommen: Wissenschaftler präsentieren ein Verfahren zum Nachweis des Lebens-Elements Sauerstoff in der Atmosphäre ferner Welten. Im Licht, das durch ihre Gashüllen schimmert, könnten sich die Kollision der Sauerstoffmoleküle bemerkbar machen, erklären die Astronomen.
Im Universum wimmelt es von Sternen mit Planeten – das haben die Erfolge der Planetenjäger in den letzten Jahren gezeigt. Die neue Herausforderung ist nun, Merkmale dieser Himmelskörper aufzudecken. Bei einigen zeichnet sich bereits ab, dass es sich um Gesteinsplaneten von erdähnlicher Größe handelt, die ihren Stern in Entfernungenumrunden, die lebensfreundliche Bedingungen ermöglichen könnten. Doch lassen sich noch weitere Hinweise auf einen lebensfreundlichen Charakter aufdecken? Möglicherweise in der Zusammensetzung der Atmosphären, sagen Forscher. Einblicke in die Merkmale der Gashüllen können Spektralanalysen des Lichts ermöglichen, das durch die Atmosphären der Exoplaneten schimmert, wenn sie vor ihrem Zentralstern vorbeiziehen. Die Merkmale des Lichts, das uns erreicht, können dann Informationen über das Vorhandensein bestimmter Substanzen in der Planetenatmosphäre liefern.
Das Lebens-Element im Visier
Dabei ist der Nachweis eines bestimmten Elements besonders interessant: Sauerstoff ist mit dem Leben wie wir es kennen, intensiv verknüpft. Es entsteht im Rahmen der Photosynthese, durch die Pflanzen Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen. Diese Energie bildet die Grundlage der Nahrungsketten und der Sauerstoff dient wiederum den Tieren als Oxidationsmittel bei ihrer Energiegewinnung. In dem Gehalt in der Erdatmosphäre spiegelt sich die biologische Erzeugung des Sauerstoffs deutlich wider. Das bedeutet: Würde man in der Atmosphäre eines Exoplaneten ähnliche O2 Mengen wie auf der Erde detektieren, wäre dies ein Hinweis auf die Existenz von Lebensformen, wie wir sie kennen.
Doch mit den bisherigen Ansätzen hat sich der Nachweis des prominenten Elements als knifflig herausgestellt. Die Hoffnung liegt nun auf den verbesserten Möglichkeiten des James-Webb-Weltraumteleskops, dessen Start für das Jahr 2021 geplant ist. Von diesem scharfen Astro-Auge erhoffen sich Planetenforscher mehr Durchblick bei der Analyse der Atmosphären von fernen Welten. Doch was den Sauerstoff betrifft, schienen auch die Aussichten mit Webb bisher enttäuschend: “Vor unserer Arbeit wurde angenommen, dass Sauerstoff in ähnlichen Konzentrationen wie in der Erdatmosphäre mit Webb nicht nachweisbar ist”, sagt Thomas Fauchez vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt.
Durch Kollisionen entsteht eine Signatur
Doch er und seine Kollegen haben nun eine Möglichkeit aufgezeigt, mit der sich in den Daten des neuen Weltraumteleskops die Signatur des Sauerstoffs in Atmosphären ferner Planeten feststellen lassen könnte. Sie nutzen dabei den Effekt, dass Kollisionen von Sauerstoffmolekülen in der Atmosphäre Spuren im Infrarotbereich des Lichts hinterlassen. Sie blockieren dabei Teile des Spektrums, sodass bestimmte Wellenlängen wegfallen. “Dieses Sauerstoffsignal ist seit den frühen 1980er Jahren aus atmosphärischen Untersuchungen der Erde bekannt, wurde jedoch nie für die Exoplanetenforschung untersucht”, sagt Fauchez. Im Rahmen ihrer Studie haben die Wissenschaftler nun berechnet, wie viel Licht durch diese Sauerstoffkollisionen abgeschirmt wird. Wie sie erklären, entsteht eine charakteristische Signatur in der Strahlung, die das Webb-Teleskop erfassen kann. Somit könnten zukünftig doch Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Atmosphären von Exoplaneten möglich werden.
“Sauerstoff ist eines der aufregendsten Moleküle, das aufgrund seiner Verbindung mit dem Leben entdeckt werden kann, allerdings können wir nicht sagen, dass das Leben die einzige Ursache für Sauerstoff in einer Atmosphäre ist”, gibt Co-Autor Schwieterman von der University of California in Riverside zu bedenken. Hohe Konzentration können sich demnach auch durch eine bestimmte Entwicklungsgeschichte von Exoplaneten bilden: Befindet sie sich zu nahe an ihrem Zentralstern oder empfangen zu viel Energie, wird die Atmosphäre sehr warm und sättigt sich mit Wasserdampf aus den verdunstenden Ozeanen. Dieses Wasser kann dann durch starke ultraviolette Strahlung in atomaren Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Der Wasserstoff entweicht anschließend in den Weltraum und eine sauerstoffreiche Atmosphäre beleibt zurück. Aus diesem Grund bedeutet viel atmosphärischer Sauerstoff nicht unbedingt reichlich Leben, sondern weist auf einen Wasserverlust in der Vergangenheit hin, erklären die Wissenschaftler.
Da Astronomen bisher nicht wissen, wie weit dieser Prozess bei Exoplaneten verbreitet sein könnte, wollen die Wissenschaftler diesem Aspekt nun ebenfalls ihre Aufmerksamkeit schenken. “Es ist wichtig zu wissen, ob und in welchem Umfang tote Planeten Luftsauerstoff besitzen, damit wir besser erkennen können, wann ein Planet belebt sein könnte oder nicht”, sagt Schwieterman.
Quelle: University of California – Riverside, Fachartikel: Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-019-0977-7
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