Ein förderliches Leuchten zeichnet sich ab: Sterne, die vergleichsweise arm an schweren Elementen sind, besitzen ein Lichtspektrum, das die Bildung einer vor UV-Strahlung schützenden Ozonschicht auf ihren Planeten fördert, geht aus einer Studie hervor. Im Gegensatz zu metallreichen Sternen bieten sie damit günstigere Bedingungen für das Entstehen von Leben, wie wir es kennen. Die Ergebnisse könnten somit dabei helfen, gezielt Sternsysteme ins Visier zu nehmen, die bei der Suche nach atmosphärischen Lebensspuren besonders aussichtsreich sind, sagen die Forscher.
Im Universum wimmelt es von Sternen mit Planetensystemen – das hat die astronomische Forschung in den letzten Jahren immer deutlicher gezeigt. Zunehmend steht nun die Frage im Fokus, ob sich vielleicht auch eine erdähnliche Lebenswelt auf solchen Exoplaneten aufspüren lässt. Hinweise auf Leben könnten dabei Nachweise bestimmter Substanzen in den Atmosphären von Gesteinsplaneten liefern, die man sich etwa durch den scharfen Blick des neuen James-Webb-Teleskops der NASA erhofft. Dazu sollten natürlich die aussichtsreichsten Kandidaten für potenzielles Leben unter der Lupe genommen werden. Dabei orientieren sich Astronomen daran, welche Faktoren im Fall der Erde zur Entstehung von Leben beigetragen haben.
Der Bildung von Ozonschichten auf der Spur
Die Forscher um Anna Shapiro vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen (MPS) haben sich diesbezüglich mit der Ozonschicht befasst. Bei uns schützt diese atmosphärische Struktur bekanntlich die Planetenoberfläche vor zellschädigender UV-Strahlung. Dies ist auf die speziellen Merkmale der Verbindung aus drei Sauerstoffartomen zurückzuführen. Zumindest für die Entstehung des komplexen Lebens an Land war die Hülle aus Ozon bei uns eine wichtige Voraussetzung. „Wir wollten nun Hinweise dazu gewinnen, welche Eigenschaften ein Stern mitbringen muss, damit seine Planeten eine schützende Ozonschicht ausbilden können“, sagt Shapiro.
Die Forscher befassten sich dabei mit einer Kategorie von Sternen, zu der auch unsere Sonne gehört: Sie besitzen Oberflächentemperaturen zwischen etwa 5000 und 6000 Grad Celsius. Wie das Team erklärt, ist die Bildung einer Ozonschicht stark mit der Strahlung verbunden, die ein Planet von seinem Mutterstern erhält. „In der Atmosphärenchemie der Erde kommt der ultravioletten Strahlung von der Sonne eine zweifache Rolle zu“, sagt Shapiro. Während die langwellige UV-B-Strahlung Ozon zerstört, trägt die kurzwellige UV-C-Strahlung demnach dazu bei, dass sich die Dreier-Moleküle aus Sauerstoff in der mittleren Atmosphäre bilden. “Es war daher naheliegend anzunehmen, dass ultraviolettes Licht einen ähnlich komplexen Einfluss auch auf die Atmosphären von Exoplaneten haben könnte”, sagt die Astronomin.
Durch Modellberechnungen sind die Forscher nun der Frage nachgegangen, inwieweit die sogenannte Metallizität von Sternen beeinflusst, wie stark sie die unterschiedlichen Wellenlängen des UV-Lichts abstrahlen. Dieses Merkmal beschreibt, welches Verhältnis Wasserstoff und schwerere Elemente im Baumaterial eines Sterns aufweisen. Bei der Sonne kommen mehr als 31.000 Wasserstoffatome auf ein Eisenatom. Sie ist damit ein vergleichsweise metallarmer Stern. Aus den Kalkulationen der Forscher ging nun zunächst hervor: Zwar strahlen metallarme Sterne insgesamt mehr UV-Strahlung ab als metallreiche. Doch bei ihnen überwiegt die Ozon-erzeugende UV-C-Strahlung. Bei den eher metallreichen Versionen liegt hingegen die Ozon-zerstörende UV-B-Strahlung vorn.
Bessere Aussichten auf eine Schutzschicht
So gingen die Forscher anschließend der Frage nach, inwieweit sich die berechnete UV-Strahlung auf die Atmosphäre von Planeten auswirken würde, die in einem lebensfreundlichen Abstand um Modell-Sterne kreisen. Sie verwendeten dazu ein Chemie-Klima-Modell, das die Wechselwirkungen zwischen Gasen und ultraviolettem Licht in den Atmosphären simulierte. Dabei zeigte sich: Bei metallarmen Sternen begünstigt das Verhältnis von Ozon-bildender UV-C- zu Ozon-zerstörender UV-B-Strahlung tatsächlich die Entwicklung einer dicken Ozonschicht. „Im Gegensatz zu unseren anfänglichen Erwartungen dürften somit metallarme Sterne bessere Bedingungen für die Entstehung von Leben bieten“, resümiert Shapiro.
Die Studie kann damit also der astrobiologischen Forschung dienen: „Sie liefert wertvolle Hinweise, welche Sterne wir mit besonderer Aufmerksamkeit beobachten sollten“, sagt Co-Autor Laurent Gizon vom MPS. Außerdem zeichnet sich ein weiterer interessanter Aspekt ab, heben die Forscher abschließend hervor: Mit zunehmendem Alter scheint das Universum immer lebensfeindlicher zu werden. Denn der Baustoff der Sterne wird zunehmend metallreich. Das liegt daran, dass schwere Elemente im Innern von Sternen am Ende ihres Lebens gebildet und dann durch Sternenwinde oder Supernova-Explosionen ins All abgegeben werden. „Jedem neu entstehenden Stern steht deshalb metallreicheres Baummaterial zur Verfügung als seinen Vorgängern“, sagt Shapiro.
Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Fachartikel: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-023-37195-4
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