Visualisierte Exoplaneten verschiedener Typen (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Wissenschaftler haben eine neue Art und Weise entdeckt, wie sich Sauerstoff in kohlenstoffdioxidreichen Atmosphären von Welten jenseits unserer eigenen bilden kann – und stellen damit Annahmen darüber in Frage, wie wir nach Leben auf anderen Planeten suchen sollten, und möglicherweise auch über die Ursprünge des Lebens selbst.
„Der größte Teil der Suche nach Leben oder Lebenssignaturen auf anderen Planeten besteht darin, zu beweisen, dass das, was wir beobachten, durch Mittel erzeugt werden kann, die kein Leben voraussetzen“, sagte David Benoit, ein leitender Dozent für Molekularphysik und Astrochemie am E.A. Milne Centre for Astrophysics der Universität Hull, der nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber kosmischeweiten.de. „Diese Studie zeigt einen weiteren Weg zur Herstellung von molekularem Sauerstoff, der bisher nicht immer als praktikabel angesehen wurde.“
Vor dem massiven Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs (O2) auf der Erde während des Großen Oxidationsereignisses vor etwa 2,4 Milliarden Jahren – als in den Ozeanen lebende Cyanobakterien begannen, durch Photosynthese Sauerstoff zu produzieren – wurde die primitive Atmosphäre unseres Planeten von Kohlendioxid (CO2) mit nur Spuren von Sauerstoff dominiert.
„Diese O2-Moleküle wurden ausschließlich durch abiotische [nicht-biologische] Prozesse erzeugt“, schreibt das Forscherteam unter der Leitung von Shan Xi Tian und Jie Hu von der University of Science and Technology of China.
Shan Xi Tian und Jie Hu sagen, dass sie fasziniert davon waren, wie dieser primitive atmosphärische Sauerstoff gebildet wurde, und berichten über einen neuen Mechanismus, durch den dies geschehen sein könnte.
Andere Forscher vermuten, dass der Sauerstoff durch Mechanismen wie die so genannte „Dreikörper-Rekombination“ zweier Sauerstoffatome oder die Dissoziation von CO2 unter ultraviolettem Licht entstanden ist. Einige halten es auch für möglich, dass die Substanz durch spezifische Reaktionen mit Elektronen entstanden ist. „Wir haben aber einen ganz anderen Weg gefunden, um O2 aus molekularem CO2 herzustellen“, sagt Tian gegenüber kosmischeweiten.de. „Nämlich durch die Reaktion von Helium-Ionen [He+] mit CO2.“
Die meisten Heliumionen entstehen, wenn Alphateilchen im Sonnenwind mit Molekülen in der oberen Atmosphäre interagieren und dabei geladene Teilchen, so genannte Ionen, erzeugen, die dann mit CO2 reagieren und O2 bilden können. „Diese Reaktion sollte in der oberen Marsatmosphäre zu beobachten sein, da dort viele He+-Ionen (durch den Sonnenwind) und CO2 vorhanden sind“, erklärt Hu.
Auch wenn bestätigt wurde, dass durch diese Reaktionen verschiedene Ionen wie O+, O2+ und CO2+ in der Ionosphäre des Mars entstehen, gibt es dennoch keinen Beweis dafür, dass O2 auf diese Weise gebildet wird.
Zum Nachweis ihrer Theorie setzten die Wissenschaftler die Flugzeit-Massenspektrometrie (TOF) ein, eine Technik, bei der das Masse-Ladungs-Verhältnis von Ionen in der Gasphase bestimmt wird, indem die Zeit gemessen wird, die sie benötigen, um eine bekannte Strecke in einem Instrument, dem Spektrometer, zurückzulegen. Diese Methode beruht auf dem Prinzip, dass Ionen, die durch ein elektrisches Feld bekannter Stärke beschleunigt werden, je nach ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis unterschiedliche Geschwindigkeiten annehmen und daher den Detektor zu unterschiedlichen Zeiten erreichen.
Hu und Tian gingen jedoch noch einen Schritt weiter und kombinierten TOF mit einer so genannten „Cross-Beam-Apparatur“ und „Ionengeschwindigkeits-Karten“, um mögliche Mechanismen zu ergründen, die molekularen Sauerstoff hervorbringen. In diesem Aufbau kreuzten sich zwei Teilchenstrahlen – CO2 und He+ – unter kontrollierten Bedingungen, so dass am Kollisionspunkt Reaktionen stattfinden konnten.
Die entstehenden Produkte wurden ionisiert; ihr Masse-Ladungs-Verhältnis wurde anhand der Zeit bestimmt, die sie benötigten, um den Detektor zu erreichen. Gleichzeitig wurden mit Hilfe der Ionengeschwindigkeitskartierung die Flugbahnen und Geschwindigkeiten der Ionen aufgezeichnet, was detaillierte Informationen über ihre Energien lieferte.
Alles in allem konnte das Team die Reaktionswege rekonstruieren und entscheidende Einblicke in die schrittweisen Prozesse gewinnen, die zur Sauerstoffbildung aus diesen beiden Ausgangsstoffen führen.
„Dies ist ein nützliches Ergebnis, das zeigt, dass kollidierendes Helium mit der Energie, die wir in Sonnenwinden beobachten, molekularen Sauerstoff erzeugen kann, wenn es auf Kohlendioxid trifft“, sagte Benoit. „Die Effizienz des Prozesses scheint ähnlich zu sein wie bei der Kollision von Kohlendioxid mit niederenergetischen Elektronen, die vor einigen Jahren von der gleichen Forschungsgruppe untersucht wurde.“
Da das Leben auf der Erde eng mit der Sauerstoffkonzentration verbunden ist, untersuchen Wissenschaftler seit langem den atmosphärischen Sauerstoff als potenziellen Indikator für die Bewohnbarkeit anderer Welten – vor allem, da der meiste Sauerstoff auf der Erde von lebenden Organismen produziert wird. Diese Forschung zeigt jedoch, dass Sauerstoff auch durch abiotische Prozesse entstehen kann, also durch Prozesse, die nicht auf lebenden Organismen beruhen. Wenn also ähnliche Mechanismen auf anderen Planeten mit CO2-reichen Atmosphären ablaufen, könnte Sauerstoff auch in Abwesenheit von Leben existieren.
Diese Entdeckung bedeutet jedoch nicht, dass die Astronomen voreilige Schlüsse ziehen oder dass die Suche nach Leben auf Exoplaneten durch falsch-positive Biosignaturen zum Scheitern verurteilt ist.
Benoit betonte, dass eine Kreuzvalidierung mit astrochemischen Modellen und experimentellen Beobachtungen die Ergebnisse verstärken würde. So könnte beispielsweise der gleichzeitige Nachweis von Kohlendioxid, Helium und Sauerstoff auf einem Exoplaneten diesen Weg als einen bedeutenden Mechanismus für die molekulare Sauerstoffproduktion bestätigen.
„Dieser neue Mechanismus wird wahrscheinlich in zukünftige Modelle zur Vorhersage der Atmosphären anderer Planeten einfließen“, sagte Benoit, „und wird uns helfen, die Sauerstoffmengen, die wir dort finden könnten, besser zu erklären.“
