Künstlerische Darstellung der Aussicht von den Meeren eines „Hycean“-Exoplaneten aus. (Bildnachweis: Amanda Smith, Nikku Madhusudhan)
Laut einer neuen Studie könnten sogenannte Hycean-Welten die vielversprechendsten Kandidaten für die Suche nach Lebensspuren sein. Diese besondere Art von Exoplaneten besitzt tiefe Ozeane unter einer dichten Wasserstoffatmosphäre – ideale Bedingungen für das James Webb Weltraumteleskop, um mögliche Biosignaturen zu entdecken.
Diese möglichen Lebensspuren sind eine Gruppe chemischer Verbindungen namens Methylhalogenide. Auf der Erde werden sie von bestimmten Bakterien und Meeresalgen produziert.
„Im Gegensatz zu erdähnlichen Planeten, bei denen atmosphärische Störungen und Teleskopgrenzen die Suche nach Biosignaturen erschweren, liefern Hycean-Planeten ein wesentlich klareres Signal“, erklärte der Astrobiologe Eddie Schwieterman von der University of California in Riverside in einer Stellungnahme.
Bislang sind Hycean-Planeten rein hypothetisch. Der Begriff setzt sich aus den englischen Wörtern „hydrogen“ (Wasserstoff) und „ocean“ (Ozean) zusammen und wurde 2021 vom Cambridge-Planetenforscher Nikku Madhusudhan geprägt.
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Hycean-Planeten werden voraussichtlich rote Zwergsterne umkreisen. Der vielversprechendste Kandidat für eine solche Welt ist der Exoplanet K2-18b. Dieser als „Sub-Neptun“ klassifizierte Planet befindet sich in der habitablen Zone eines 124 Lichtjahre entfernten roten Zwergsterns im Sternbild Löwe.
Das Hubble-Weltraumteleskop entdeckte 2019 Wasserdampf in der Atmosphäre von K2-18b. Nun hat das JWST zusätzlich Kohlendioxid und Methan in der Planetenatmosphäre nachgewiesen – bei gleichzeitiger Abwesenheit von Kohlenmonoxid und Ammoniak. Diese Befunde bestätigen exakt die Vorhersagen der Hycean-Planeten-Hypothese.
Erste Hinweise deuten zudem auf die mögliche Existenz von Dimethylsulfid in K2-18bs Atmosphäre hin. Auf der Erde wird diese Verbindung ausschließlich durch Meeresplankton produziert. Allerdings bleibt dieser Nachweis vorerst umstritten.
Ein Forscherteam der University of California, Riverside und der ETH Zürich ist nun noch einen Schritt weitergegangen. Sie schlagen vor, dass eine weitere Gruppe von Verbindungen – sogenannte Methylhalogenide – ein besonders aussagekräftiges Biosignatur-Merkmal darstellen könnte. Diese von marinen Mikroorganismen auf der Erde produzierten Substanzen würden in der Atmosphäre einer Hycean-Welt eine biologische Signatur hinterlassen, die sich sogar leichter nachweisen ließe als Sauerstoff-Signaturen auf erdähnlichen Planeten.
„Derzeit ist es schwierig bis unmöglich, Sauerstoff auf erdähnlichen Planeten nachzuweisen“, erklärt Michaela Leung von der University of California, Riverside, Hauptautorin der neuen Studie. „Doch auf sogenannten Hycean-Welten könnten Methylhalogenide mit bestehender Technologie nachweisbar sein – das wäre eine einzigartige Chance.“
Methylhalogenide sind Moleküle, die aus Kohlenstoffatomen und drei Wasserstoffatomen bestehen, die an ein Halogenatom wie Brom, Chlor oder Fluor gebunden sind. (Halogene bilden eine Gruppe reaktiver Nichtmetalle.) Auf der Erde entstehen diese Verbindungen durch biologische Prozesse, doch in unserer Atmosphäre kommen sie nur in geringen Konzentrationen vor.
Auf Hycean-Welten könnte die Situation jedoch anders aussehen. Das Team um Leung vermutet, dass auf solchen Planeten – falls sie existieren – Methylhalogenide in großen Mengen in der Atmosphäre akkumulieren könnten. Zudem weisen diese Verbindungen starke Absorptionsmerkmale im Infrarotbereich auf, genau bei den Wellenlängen, für die das JWST optimiert ist.
Leung erklärte: „Ein großer Vorteil bei der Suche nach Methylhalogeniden ist, dass man sie mit dem James-Webb-Teleskop bereits in 13 Stunden nachweisen könnte. Das ist deutlich weniger Teleskopzeit, als man für Gase wie Sauerstoff oder Methan benötigen würde.“ Er fügte hinzu: „Weniger Beobachtungszeit bedeutet auch geringere Kosten.“
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Leungs Team hat zwei wichtige Einschränkungen zu beachten. Erstens wissen wir noch nicht, ob Hycean-Welten tatsächlich existieren. Diese Planetenklasse wurde ursprünglich vorgeschlagen, um bestimmte Eigenschaften warmer Sub-Neptun-Planeten zu erklären – deren mittlere Dichte auf dicke Wasserstoffatmosphären und tiefe Ozeane aus flüssigem Wasser hindeutet. Allerdings ist es mit aktueller Technologie unmöglich, einen Ozean unter der Wasserstoffhülle solcher Planeten direkt nachzuweisen.
Das zweite Problem ist, dass wir nicht wissen, ob solche Ozeane bewohnbar sein könnten. Eine Hycean-Welt wäre heiß – und obwohl die extremen Bedingungen unter der Wasserstoffhülle ein Verdampfen des Ozeans verhindern würden, bleibt unklar, ob es für uns bekanntes Leben zu heiß wäre. Allerdings wäre der Nachweis von Methylhalogeniden in der Atmosphäre eines solchen Planeten ein starkes Indiz dafür, dass in seinen Tiefenozeanen Leben existieren könnte.
Falls es auf einer solchen Welt Leben geben sollte, müsste es Wasserstoff atmen – nicht Sauerstoff.
Schwieterman erklärte: „Diese Mikroben wären anaerob, falls wir sie finden. Sie hätten sich an eine völlig andere Umgebung angepasst. Wir können uns kaum vorstellen, wie diese aussieht – außer dass diese Gase ein plausibles Stoffwechselprodukt darstellen würden.“
Anaerobes Leben – also Lebensformen, die ohne Sauerstoff auskommen – existiert bereits auf der Erde. Zwar wäre die Umgebung auf solchen Planeten fremdartig, aber das Leben selbst nicht völlig unbekannt. Erdähnliche Welten um rote Zwerge könnten selten sein, denn diese kleinen Sterne neigen zu heftigen Strahlungsausbrüchen, die Atmosphären erdähnlicher Planeten wegpusten können. Doch Hycean-Welten mit ihren dichten Wasserstoffatmosphären wären besser gegen solche Angriffe ihres Muttersterns geschützt.
Es könnte also sein, dass sich Leben in Roten-Zwerg-Systemen gerade auf Hycean-Welten entwickelt. Da Rote Zwerge etwa drei Viertel aller Sterne in unserer Milchstraße ausmachen, gäbe es im Kosmos möglicherweise weit mehr bewohnbare Hycean-Planeten als erdähnliche Welten.
Die Studie von Leungs Team wurde am 11. März im Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
