Eine künstlerische Darstellung eines bewohnbaren Gesteinsplaneten. Die nächste Generation bodengestützter Teleskope könnte die Atmosphären einiger dieser Welten untersuchen.(Bildnachweis: NASA Ames/JPL-Caltech/Wikimedia Commons)
Ein Blick in die Zukunft der Exoplanetenforschung legt nahe, dass das bevorstehende European Extremely Large Telescope (ELT) uns in den nächsten zwei Jahrzehnten die beste Chance bieten wird, Biosignaturen auf nahen felsigen Welten, die andere Sterne umkreisen, zu entdecken. Dies ist die Schlussfolgerung einer neuen Studie, in der simuliert wurde, was nötig ist, um Welten außerhalb unseres Sonnensystems zu charakterisieren, die die verlockende Aussicht haben, Leben zu beherbergen, wie etwa Proxima Centauri b.
Diese Studie wird es den Astronomen ermöglichen, in den 2030er Jahren und darüber hinaus wichtige exoplanetare Ziele ins Visier zu nehmen.
Neben der Messung der Eigenschaften exoplanetarer Körper – Masse, Radius und Umlaufzeit – lernen Astronomen etwas über diese extrasolaren Welten, indem sie ihre Atmosphären untersuchen. Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) tut dies zum Beispiel durch Transitspektroskopie. Wenn ein Planet seinen Stern aus der Perspektive des Teleskops durchquert (d. h. sich vor ihm bewegt), wird ein Teil des Lichts des Sterns durch die Atmosphäre des Planeten gefiltert. Alle atmosphärischen Moleküle in dieser Atmosphäre können das Sternenlicht absorbieren. Wichtig ist, dass verschiedene Moleküle bei bestimmten Wellenlängen absorbieren, so dass jede Wellenlänge die Signatur eines bestimmten Moleküls ist. Auf diese Weise hat das JWST vor kurzem beispielsweise Hinweise auf Methan und Kohlendioxid in der Atmosphäre des Exoplaneten K2-18b entdeckt.
Unseren Geräten gelingt es jedoch nur, einen kleinen Teil der Planeten zu sehen, die ihre Sterne durchqueren, so dass die Wissenschaftler auf andere Mittel zurückgreifen müssen, um die Atmosphären von Exoplaneten zu charakterisieren. Das gilt sowohl für Welten, die überhaupt nicht transitieren, als auch für Welten, die möglicherweise transitieren, ohne dass wir es bemerken.
Eine Möglichkeit ist die direkte Abbildung, aber die direkte Abbildung von Exoplaneten ist ein schwieriges Unterfangen.
Während bisher Dutzende von Exoplaneten abgebildet wurden, wie z. B. HD 950086b, handelt es sich bei allen um junge, große Welten, die noch heiß von ihren Entstehungsprozessen sind. Sie leuchten daher hell im Infrarotlicht, obwohl sie in großem Winkelabstand zu ihrem Mutterstern stehen. Mit anderen Worten, wir können keine Details dieser Welten sehen – die Planeten erscheinen nur als Lichtpunkte – aber in ihren Lichtmustern sind Absorptionslinien versteckt, die mit atmosphärischen Molekülen zusammenhängen. Um diese spektralen Details herauszufinden, ist jedoch ein sehr großes Teleskop erforderlich, um ein ausreichend hohes Signal-Rausch-Verhältnis zwischen dem Licht des Planeten und den Hintergrunddaten zu erhalten.
Das Spektrum des Exoplaneten K2-18b, das Absorptionslinien von Molekülen in seiner Atmosphäre zeigt, die vom JWST mit Hilfe der Transitspektroskopie entdeckt wurden. (Bildnachweis: NASA/CSA/ESA/J. Olmstead (STScI)/N. Madhusudhan (Universität Cambridge))Die Astronomen Huihao Zhang, Ji Wang und Michael Plummer, alle von der Ohio State University, wollten angesichts der Tatsache, dass im nächsten Jahrzehnt ein Trio riesiger bodengestützter Observatorien das Licht der Welt erblicken soll, testen, wie gut diese kommenden Augen des Universums Exoplaneten durch direkte Bildgebung charakterisieren würden. Das Ziel war es, herauszufinden, wie viel besser sie diese Aufgabe erfüllen, wenn sie mit der Transitspektroskopie durch den 6,5-Meter-Spiegel des JWST verglichen werden.
Bei diesen drei bodengebundenen Teleskopen der nächsten Generation handelt es sich um das 39 Meter lange European Extremely Large Telescope (ELT), das 98 Fuß lange Thirty Meter Telescope (TMT) auf Mauna Kea und das 24 Meter lange Giant Magellan Telescope (GMT). Das ELT und das GMT werden an verschiedenen Standorten in der chilenischen Atacama-Wüste gebaut; erst im vergangenen Dezember wurden die ersten Spiegelsegmente für das ELT nach Südamerika verschifft.
„Es ist schwer zu sagen, ob Weltraumteleskope besser sind als bodengebundene Teleskope, weil sie anders sind“, sagte Zhang in einer Presseerklärung. „Sie haben andere Umgebungen, andere Standorte, und ihre Beobachtungen haben andere Einflüsse“.
Eine künstlerische Darstellung, wie das Extremely Large Telescope nach seiner Fertigstellung aussehen wird. (Bildnachweis: ESO)
Zhang, Wang und Plummer simulierten die Leistung von zwei Instrumenten auf dem ELT – dem Mid-Infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS) und dem High Angular Resolution Monolithic Optical and Near-infrared Integral field spectrograph (HARMONI). Sie modellierten diese Instrumente an 10 realen Exoplaneten, die nahe rote Zwergsterne umkreisen, und testeten, wie gut sie potenzielle Biosignaturen wie molekularen Sauerstoff, Kohlendioxid, Methan und Wasser durch direkte Bildgebung erkennen können.
„Nicht jeder Planet eignet sich für eine direkte Abbildung“, sagt Zhang. „Aber deshalb geben uns Simulationen eine ungefähre Vorstellung davon, was die ELT geliefert hätten und was sie versprechen sollen, wenn sie gebaut werden.“
Die Ergebnisse waren gemischt. Am besten schnitt in den Simulationen eine Welt namens GJ 887b ab, eine Supererde, die viermal massereicher ist als unser Planet und den hellsten roten Zwerg am Himmel in 11 Lichtjahren Entfernung umkreist. METIS war insbesondere in der Lage, die oben erwähnten Biosignaturgase in seiner Atmosphäre nachzuweisen. In den Simulationen konnte METIS die gleichen Biosignaturen auch auf den Exoplaneten Proxima b und Wolf 1061c nachweisen, während HARMONI zwar die gleichen Entdeckungen machen konnte, dafür aber längere Belichtungszeiten benötigte.
Das Extremely Large Telescope befindet sich derzeit auf dem Cerro Armazones in der Atacama-Wüste im Bau. (Bildnachweis: E. Garcés/ESO)
Das ELT wird jedoch wahrscheinlich Schwierigkeiten haben, die sieben Welten des TRAPPIST-1-Systems direkt abzubilden und zu charakterisieren, so das Team, weil „atmosphärische Sichtbeschränkungen“ die Versuche behindern, wichtige winzige Winkelabstände der Planeten zu ihrem Stern zu bestimmen. In diesem Fall schneidet die Transitspektroskopie des JWST besser ab, aber selbst das 10-Milliarden-Dollar-Observatorium hat es schwer.
Vorläufige Ergebnisse des JWST legen nahe, dass die innersten Planeten von TRAPPIST-1, die Welten b und c, keine Atmosphäre haben. Es kann Jahre dauern, bis das JWST genügend Daten gesammelt hat, um Schlussfolgerungen über die anderen fünf TRAPPIST-1-Welten zu ziehen, einschließlich der Planeten d, e und f, die sich in der bewohnbaren Zone befinden.
Die Fähigkeiten und Grenzen des ELT und des JWST werden nicht das letzte Wort bei der Charakterisierung von Exoplaneten sein. Die National Academy of Science hat in ihrer jüngsten Dekadenstudie für die Astronomie empfohlen, die Entwicklung eines neuen, riesigen Weltraumteleskops mit einem Spiegel von mindestens acht Metern zu beschleunigen und einen Starttermin in den 2040er Jahren anzustreben. Ein solches Teleskop wäre darauf optimiert, felsige Welten in bewohnbaren Zonen um nahe Sterne, einschließlich Proxima b, zu entdecken, abzubilden und zu charakterisieren.
Bis dahin glauben Zhang, Wang und Plummer, dass die nächste Generation großer bodengestützter Teleskope und das JWST die Astronomen dazu bringen können, mit der Untersuchung von Exoplaneten zu beginnen und herauszufinden, ob einige von ihnen tatsächlich Leben beherbergen könnten – zumindest das, was wir kennen.
Ihre Ergebnisse wurden im Dezember 2023 in der Zeitschrift The Astronomical Journal veröffentlicht.
