Die Superteleskope kommen, riesige boden- und weltraumgestützte Observatorien, mit denen wir die Atmosphären ferner Welten direkt beobachten können. Wir wissen, dass es Leben auf der Erde gibt, und unsere Atmosphäre erzählt die Geschichte. Können wir also dasselbe mit extrasolaren Planeten tun? Es stellt sich heraus, dass eine einzige Biosignatur entwickelt wurde, eine Chemikalie in der Atmosphäre, die Ihnen sagt, dass das Leben auf dieser Welt wirklich hart ist.
Ich muss zugeben, ich war in der Vergangenheit ziemlich schlecht dafür. In alten Episoden von Astronomy Cast und dem Weekly Space Hangout, sogar hier im Guide to Space, habe ich gesagt, wenn wir nur die Atmosphäre einer fernen Welt probieren könnten, könnten wir mit Überzeugung sagen, ob es dort Leben gibt.
Erkennen Sie einfach Ozon in der Atmosphäre oder Methan oder sogar Verschmutzung und Sie könnten sagen: "Dort ist Leben." Nun, der zukünftige Fraser ist hier, um den vergangenen Fraser zu korrigieren. Obwohl ich seine naive Begeisterung für die Suche nach Außerirdischen bewundere, stellt sich heraus, dass die Dinge wie immer schwieriger werden, als wir bisher dachten.
Astrobiologen bemühen sich tatsächlich, eine einzige Biosignatur für rauchende Waffen zu finden, mit der man sagen könnte, dass es dort draußen Leben gibt. Und das liegt daran, dass natürliche Prozesse kluge Wege zu haben scheinen, uns zu täuschen.
Was sind mögliche Biosignaturen, warum sind sie problematisch und was ist erforderlich, um diese Bestätigung zu erhalten?
Beginnen wir mit einer Welt in der Nähe unserer Heimat: dem Mars.
Seit fast zwei Jahrzehnten haben Astronomen große Methanwolken in der Marsatmosphäre entdeckt. Hier auf der Erde stammt Methan von Lebewesen wie Bakterien und furzenden Kühen. Darüber hinaus wird Methan leicht durch Sonnenlicht abgebaut, was bedeutet, dass dies kein uraltes Methan ist, das vor Milliarden von Jahren übrig geblieben ist. Ein Prozess auf dem Mars füllt ihn ständig auf.
Aber was?
Zusätzlich zum Leben kann sich Methan auf natürliche Weise durch Vulkanismus bilden, wenn Gesteine mit erhitztem Wasser interagieren.
Die NASA versuchte, dieser Frage mit den Spirit- und Opportunity-Rovers auf den Grund zu gehen, und es wurde erwartet, dass Curiosity die Werkzeuge an Bord haben sollte, um die Methanquelle zu finden.
Im Laufe mehrerer Monate hat Curiosity dort unten an der Oberfläche einen Methanschub festgestellt, aber selbst das hat zu einer Kontroverse geführt. Es stellte sich heraus, dass der Rover selbst Methan trug und den Bereich um sich herum kontaminiert haben könnte. Vielleicht kam das Methan, das es entdeckte, von sich selbst. Es ist auch möglich, dass ein felsiger Meteorit in der Nähe fiel und etwas Gas freisetzte, das die Ergebnisse kontaminierte.
Die ExoMars-Mission der Europäischen Weltraumorganisation kam im Oktober 2016 auf dem Mars an. Obwohl der Schiaparelli Lander zerstört wurde, überlebte der Spurengas-Orbiter die Reise und begann, die Marsatmosphäre detailliert zu kartieren, um nach Orten zu suchen, an denen Methan entlüftet werden könnte Bisher haben wir keine schlüssigen Ergebnisse.
Mit anderen Worten, wir haben eine Flotte von Orbitern und Landern auf dem Mars, die mit Instrumenten ausgestattet sind, die den leisesten Hauch von Methan auf dem Mars riechen sollen.
Es gibt einige wirklich interessante Hinweise darauf, wie die Methanwerte auf dem Mars mit den Jahreszeiten zu steigen und zu fallen scheinen, was auf das Leben hinweist, aber Astrobiologen sind sich immer noch nicht einig.
Außerordentliche Ansprüche erfordern außergewöhnliche Beweise und all das.
Einige Teleskope können bereits die Atmosphäre von Planeten messen, die andere Sterne umkreisen. In den letzten zehn Jahren hat das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA die Atmosphären verschiedener Welten erfasst. Hier ist zum Beispiel eine Karte des heißen Jupiters HD 189733b
. Der Ort ist scheiße, aber wow, um die Atmosphäre eines anderen Planeten zu messen, das ist ziemlich spektakulär.
Sie führen dieses Kunststück aus, indem sie die Chemikalien des Sterns messen, während der Planet vor ihm vorbeizieht, und ihn dann messen, wenn es keinen Planeten gibt. Das sagt dir, welche Chemikalien der Planet zur Party bringt.
Sie konnten auch die Atmosphäre von HAT-P-26b messen, einer relativ kleinen Welt in Neptungröße, die einen nahe gelegenen Stern umkreist, und waren überrascht, Wasserdampf in der Atmosphäre des Planeten zu finden.
Bedeutet das, dass es Leben gibt? Wo immer wir Wasser auf der Erde finden, finden wir Leben. Nein, Sie können völlig Wasser bekommen, ohne Leben zu haben.
Beim Start im Jahr 2019 wird das James Webb-Weltraumteleskop der NASA diese atmosphärische Wahrnehmung auf die nächste Stufe heben und es Astronomen ermöglichen, die Atmosphären vieler weiterer Welten mit einer viel höheren Auflösung zu untersuchen.
Eines der ersten Ziele für Webb wird das TRAPPIST-1-System sein, dessen halbes Dutzend Planeten in der bewohnbaren Zone eines roten Zwergsterns umkreisen. Webb sollte in der Lage sein, Ozon, Methan und andere potenzielle Biosignaturen lebenslang nachzuweisen.
Was braucht es also, um eine ferne Welt sehen zu können und sicher zu wissen, dass dort Leben ist?
Der Astrobiologe John Lee Grenfell vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt hat kürzlich einen Bericht erstellt, in dem alle möglichen exoplanetaren Biosignaturen untersucht und überprüft wurden, wie wahrscheinlich es ist, dass sie ein Hinweis auf das Leben in einer anderen Welt sind.
Das erste Ziel ist molekularer Sauerstoff oder O2. Du atmest es gerade. Jedenfalls 21% jedes Atemzugs. Sauerstoff wird in der Atmosphäre einer anderen Welt Tausende von Jahren ohne Quelle anhalten.
Es wird hier auf der Erde durch Photosynthese erzeugt, aber wenn eine Welt von ihrem Stern zerschlagen wird und die Atmosphäre verliert, wird der Wasserstoff in den Weltraum abgeblasen und molekularer Sauerstoff kann verbleiben. Mit anderen Worten, Sie können sich in keiner Weise sicher sein.
Wie wäre es mit Ozon, auch bekannt als O3? O2 wird durch einen chemischen Prozess in der Atmosphäre in O3 umgewandelt. Es klingt nach einem guten Kandidaten, aber das Problem ist, dass es natürliche Prozesse gibt, die auch Ozon produzieren können. Es gibt eine Ozonschicht auf der Venus, eine auf dem Mars, und sie wurden sogar um eisige Monde im Sonnensystem herum entdeckt.
Es gibt Lachgas, auch als Lachgas bekannt. Es wird von Bakterien im Boden produziert und trägt zum Stickstoffkreislauf der Erde bei. Und es gibt gute Nachrichten: Die Erde scheint die einzige Welt im Sonnensystem zu sein, deren Atmosphäre Lachgas enthält.
Wissenschaftler haben aber auch Modelle entwickelt, wie diese Chemikalie in der Frühgeschichte der Erde erzeugt werden könnte, als ihr schwefelreicher Ozean mit Stickstoff auf dem Planeten interagierte. Tatsächlich hätten sowohl Venus als auch Mars einen ähnlichen Zyklus durchlaufen können.
Mit anderen Worten, Sie sehen vielleicht das Leben oder einen jungen Planeten.
Dann ist da noch Methan, die Chemikalie, über die wir so viel Zeit gesprochen haben. Und wie ich bereits erwähnt habe, wird hier auf der Erde Methan vom Leben produziert, aber auch auf dem Mars, und auf Titan gibt es flüssige Methanmeere.
Astrobiologen haben andere Kohlenwasserstoffe wie Ethan und Isopren vorgeschlagen, aber diese haben auch ihre eigenen Probleme.
Was ist mit den Schadstoffen, die von fortgeschrittenen Zivilisationen emittiert werden? Astrobiologen nennen diese „Technosignaturen“, und sie könnten Dinge wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder nukleare Ausfälle umfassen. Aber auch diese Chemikalien wären in Lichtjahren Entfernung nur schwer zu erkennen.
Astronomen haben vorgeschlagen, nach toten Erden zu suchen, um eine Grundlinie festzulegen. Dies wären Welten, die sich in der bewohnbaren Zone befinden, aber das Leben hat eindeutig nie begonnen. Nur Fels, Wasser und eine nicht biologisch geschaffene Atmosphäre.
Das Problem ist, dass wir wahrscheinlich nicht einmal einen Weg finden können, um zu bestätigen, dass eine Welt auch tot ist. Die Arten von Chemikalien, die Sie in der Atmosphäre erwarten würden, wie Kohlendioxid, könnten von den Ozeanen absorbiert werden, sodass Sie nicht einmal eine negative Bestätigung abgeben können.
Eine Methode beinhaltet möglicherweise überhaupt nicht das Scannen von Atmosphären. Die Vegetation hier auf der Erde reflektiert eine sehr spezifische Wellenlänge des Lichts im Bereich von 700 bis 750 Nanometern zurück. Astrobiologen nennen dies den "roten Rand", da sich das Reflexionsvermögen im Vergleich zu anderen Oberflächen um das Fünffache erhöht.
Obwohl wir heute nicht über die Teleskope verfügen, gibt es einige wirklich clevere Ideen, z. B. zu untersuchen, wie das Licht eines Planeten auf einen nahe gelegenen Mond reflektiert wird, und dies zu analysieren. Auf der Suche nach exoplanetischem Erdschein.
Tatsächlich hätte es in der frühen Geschichte der Erde aufgrund archaischer Bakterien lila ausgesehen.
Es gibt eine ganze Flotte von Raumfahrzeugen und Bodenobservatorien, die online gehen und uns helfen werden, diese Frage weiter zu beantworten.
Die Gaia-Mission der ESA wird 1% der Sterne in der Milchstraße kartieren und charakterisieren, uns mitteilen, welche Arten von Sternen es gibt, und Tausende von Planeten zur weiteren Beobachtung entdecken.
Die Transiting Exoplanet Space Survey (TESS) startet 2018 und wird alle transitierenden erdgroßen und größeren Exoplaneten in unserer Nachbarschaft finden.
Die PLATO 2-Mission wird felsige Welten in der bewohnbaren Zone finden und James Webb wird in der Lage sein, ihre Atmosphäre zu untersuchen. Wir sprachen auch über das massive LUVOIR-Teleskop, das in den 2030er Jahren online gehen könnte, und bringen diese Beobachtungen auf die nächste Stufe.
Und es sind noch viel mehr Weltraum- und Bodenobservatorien in Arbeit.
Während diese nächste Runde von Teleskopen online geht, die in der Lage sind, die Atmosphäre einer erdgroßen Welt, die einen anderen Stern umkreist, direkt zu messen, werden Astrobiologen Schwierigkeiten haben, eine Biosignatur zu finden, die ein klares Zeichen dafür gibt, dass dort Leben ist.
Anstelle von Gewissheit werden wir wahrscheinlich den gleichen Kampf haben, um einen Sinn für das zu finden, was wir sehen. Astronomen werden sich nicht einig sein und neue Techniken und Instrumente entwickeln, um ungelöste Fragen zu beantworten.
Es wird eine Weile dauern und die Unsicherheit wird schwer zu bewältigen sein. Aber denken Sie daran, dies ist wahrscheinlich die wichtigste wissenschaftliche Frage, die sich jeder stellen kann: Sind wir allein im Universum?
Das Warten auf die Antwort lohnt sich.
Quelle: John Lee Grenfell: Ein Überblick über exoplanetare Biosignaturen.
Hutspitze an Dr. Kimberly Cartier, die mich auf dieses Papier verwiesen hat. Folgen Sie ihrer Arbeit im EOS Magazine.
