Eine Illustration verschiedener Exoplaneten.(Bildnachweis: Christine Daniloff, MIT; iStock)
Wenn es darum geht, das Vorhandensein von flüssigem Wasser auf Planeten außerhalb des Sonnensystems und damit die für Leben notwendigen Bedingungen zu erkennen, sollte das James Webb Space Telescope (JWST) eher nach dem suchen, was fehlt, als nach dem, was da ist. Ein Forscherteam, dem auch Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University of Birmingham angehören, geht davon aus, dass die Tatsache, dass felsige Welten wie die Erde außerhalb des Sonnensystems einen geringeren Kohlendioxidgehalt in ihrer Atmosphäre aufweisen als andere Planeten desselben Systems, ein Hinweis darauf sein könnte, dass sie flüssiges Wasser beherbergen. Und wie wir von der Entstehung des Lebens auf unserem eigenen Planeten und den dafür notwendigen Bedingungen wissen, ist das Vorhandensein von flüssigem Wasser ein Schlüsselindikator für eine mögliche Bewohnbarkeit.
Während die Suche nach chemischen Schlüsselkomponenten, die auf die Bewohnbarkeit von extrasolaren Planeten oder Exoplaneten hindeuten, mit den derzeitigen Technologien gerade noch möglich ist, ist verarmtes Kohlendioxid eine Signatur, die das JWST jetzt erkennen kann.
„Der Heilige Gral der Exoplanetenforschung ist die Suche nach bewohnbaren Welten und dem Vorhandensein von Leben, aber alle Merkmale, über die bisher gesprochen wurde, lagen außerhalb der Reichweite der neuesten Observatorien“, sagte Julien de Wit, Mitglied des Entdeckungsteams und Assistenzprofessor für Planetenwissenschaften am MIT, in einer Erklärung. „Jetzt haben wir eine Möglichkeit, herauszufinden, ob es auf einem anderen Planeten flüssiges Wasser gibt. Und das ist etwas, das wir in den nächsten Jahren in Angriff nehmen können.“
Ein Fahrplan zur Entdeckung von Leben auf Exoplaneten
Wissenschaftler sind derzeit sehr gut darin, mit Hilfe von Instrumenten zu bestimmen, wie weit ein Planet von seinem Wirtsstern entfernt ist und somit, ob er sich in der „bewohnbaren Zone“ dieses Sterns befindet – definiert als die Region, die weder zu heiß noch zu kalt ist, um die Existenz von flüssigem Wasser zu ermöglichen.
In unserem eigenen Sonnensystem befinden sich jedoch die Erde, der Mars und sogar die Venus in der bewohnbaren Zone um die Sonne. Doch nur einer dieser Planeten ist derzeit in der Lage, Leben, wie wir es kennen, zu beherbergen. Das bedeutet, dass die Bewohnbarkeit und die Erhaltung von flüssigem Wasser auf Exoplaneten nicht nur eine Frage des Standorts ist. Derzeit haben die Wissenschaftler also keine zuverlässige Methode, um festzustellen, ob ein Planet bewohnbar ist oder nicht.
Das Team dachte über die Erde, den Mars und die Venus nach und stellte fest, dass der einzige bewohnbare Planet, die Erde, im Vergleich zu ihren Nachbarn in der bewohnbaren Zone eine kohlendioxidarme Atmosphäre hat.
„Wir gehen davon aus, dass diese Planeten auf ähnliche Weise entstanden sind, und wenn wir jetzt einen Planeten mit viel weniger Kohlenstoff sehen, muss er irgendwo verschwunden sein“, so Triaud. „Der einzige Prozess, der so viel Kohlenstoff aus einer Atmosphäre entfernen könnte, ist ein starker Wasserkreislauf mit Ozeanen aus flüssigem Wasser.“
Im Laufe von Milliarden von Jahren haben die Ozeane unseres Planeten riesige Mengen an Kohlendioxid aus der Atmosphäre abgebaut, so dass er heute weniger Kohlendioxid enthält als die Venus oder der Mars.
„Auf der Erde wurde ein Großteil des atmosphärischen Kohlendioxids über geologische Zeiträume hinweg im Meerwasser und in festem Gestein gebunden, was dazu beigetragen hat, das Klima und die Bewohnbarkeit über Milliarden von Jahren zu regulieren“, so Frieder Klein, Mitautor der Studie und Wissenschaftler am Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), in der Erklärung.
Das veranlasste das Team zu der Annahme, dass eine ähnliche Verarmung des Kohlendioxids in der Atmosphäre eines Exoplaneten auch auf das Vorhandensein eines flüssigen Ozeans hinweisen könnte.
Die Suche mit diesen Parametern eignet sich am besten für Planetensysteme, die wie das Sonnensystem mehrere felsige oder terrestrische Welten ähnlicher Größe beherbergen, die ihren Stern in ähnlichen Abständen umkreisen.
Der erste Schritt der vom Team vorgeschlagenen Untersuchung besteht darin, nach Kohlendioxid zu suchen und dies als Indikator dafür zu verwenden, dass die Exoplaneten eine Atmosphäre haben. Sobald festgestellt wird, dass mehrere Planeten in einem System eine Atmosphäre haben, würde der nächste Schritt darin bestehen, zu bestimmen, wie viel Kohlendioxid in den Atmosphären enthalten ist.
Dies sollte zeigen, ob einer oder mehrere der Planeten deutlich weniger Kohlendioxid als die anderen haben, was darauf hindeutet, dass er wahrscheinlich Ozeane mit flüssigem Wasser hat und somit bewohnbar sein könnte.
Natürlich steckt hinter dieser Methode etwas mehr als nur der Vergleich der Kohlendioxidhäufigkeiten. „Bewohnbarkeit“ ist nicht gleichbedeutend mit „bewohnt“. Um zu prüfen, ob auf einem Exoplaneten, der durch einen Mangel an Kohlendioxid auffällt, tatsächlich Leben existieren könnte, schlägt das Team vor, nach einem anderen Molekül zu suchen: Ozon.
Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen und entsteht, wenn Lebewesen wie Pflanzen und Mikroorganismen der Erdatmosphäre Kohlendioxid entziehen und dann Sauerstoffmoleküle aussenden, die vom Sonnenlicht getroffen werden. Ozon ist ein guter Indikator für diese Prozesse auf fremden Welten, da es in der Atmosphäre ferner Exoplaneten leichter nachzuweisen ist als Sauerstoff selbst.
Das Team sagt, dass ein Planet, dessen Atmosphäre Anzeichen für einen Mangel an Kohlendioxid in Verbindung mit einem Überfluss an Ozon aufweist, durchaus bewohnbar – und bewohnt – sein könnte.
„Wenn wir Ozon sehen, ist die Wahrscheinlichkeit ziemlich hoch, dass es mit Kohlendioxid zusammenhängt, das von Leben verbraucht wird“, fügte Triaud hinzu. „Und wenn es Leben ist, dann ist es glorreiches Leben. Es wären nicht nur ein paar Bakterien. Es wäre eine Biomasse von planetarischem Ausmaß, die in der Lage ist, eine riesige Menge an Kohlenstoff zu verarbeiten und mit ihm zu interagieren.“
Die Forscher glauben, dass das JWST bereits in der Lage ist, die Häufigkeit von Kohlendioxid und Ozon in erdnahen Mehrplanetensystemen zu messen.
Dazu gehört das 40 Lichtjahre entfernte System TRAPPIST-1, das sieben erdähnliche Planeten beherbergt, von denen sich mehrere in der bewohnbaren Zone ihres kühlen Sterns befinden. „TRAPPIST-1 ist eines der wenigen Systeme, in denen wir mit JWST Untersuchungen der irdischen Atmosphäre durchführen können“, so de Wit abschließend. „Jetzt haben wir einen Fahrplan für die Suche nach bewohnbaren Planeten. Wenn wir alle zusammenarbeiten, könnten in den nächsten Jahren paradigmenverändernde Entdeckungen gemacht werden“, so de Wit. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 28. Dezember in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
