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Wassererkennungsverfahren macht potentiell bewohnbare Exoplaneten ausfindig

Bis heute konnten mit dem Weltraumteleskop Kepler der NASA 2.325 Exoplaneten aufgespürt werden. Doch mit Sicherheit sind nicht alle von ihnen bewohnbar. Im Projekt HOTMOL werden neue, spektropolarimetrische Instrumente entwickelt, um unter den entdeckten Planeten diejenigen zu finden, auf denen Leben möglich sein könnte. Zu diesem Zweck sollen die atmosphärischen Bedingungen auf Planeten mit Wasser ermittelt sowie Ursprung und Entwicklung der Magnetfelder der Planeten beleuchtet werden.
Wassererkennungsverfahren macht potentiell bewohnbare Exoplaneten ausfindig
Wie entstehen planetare Magnetfelder, wie entwickeln sie sich, und wie effizient schützen sie die Atmosphäre vor dem Wasserentzug durch den Sternwind? Durch Messung des Magnetfelds von Planetesimalen und Exoplaneten können wir deren Bewohnbarkeit in einer ganz neuen Dimension beurteilen.

Um als Exoplanet zu gelten, muss ein planetares Objekt vier Kriterien erfüllen: eine Masse oder minimale Masse von höchstens 30 Jupitermassen, die Gegenwart eines Muttersterns, nachfolgende Beobachtungen und Validierungen in ausreichendem Maß, um ein falsch-positives Ergebnis ausschließen zu können, und die Veröffentlichung dieser Informationen zusammen mit Daten zu Umlaufbahn und physikalischen Eigenschaften in geprüften Fachzeitschriften.

Einen erdähnlichen Planeten zu finden, auf dem Leben möglich sein könnte, ist jedoch eine viel größere Herausforderung. Leben, wie wir es kennen, setzt flüssiges Wasser voraus, ein Element, das mit heutigen Technologien auf Exoplaneten nicht nachgewiesen werden kann.

Um Abhilfe zu schaffen, wird im EU-geförderten Projekt HOTMOL (Hot Molecules in Exoplanets and Inner Disks) Spektropolarimetrie eingesetzt, um so möglicherweise heiße Moleküle (Wasserdampf und andere flüchtige Verbindungen) auf Exoplaneten im inneren Bereich protoplanetarer Scheiben zu entdecken.

Das HOTMOL-Projekt wird von Prof. Dr. Svetlana Berdyugina von der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg geleitet. Sie legt dar, wie das Projekt zu empfindlichen Verfahren zur Messung heißer Moleküle auf Exoplaneten führen wird und warum solche Ergebnisse entscheidend sind, um unser Wissen über Sternensysteme mit Planeten zu vertiefen.

Wie können wir anhand heißer Moleküle darauf schließen, dass auf einem bestimmten Exoplaneten Wasser vorhanden ist?

Heiße Wassermoleküle finden sich in Sternen und heißen jupiterähnlichen Planeten bei Temperaturen von tausenden Kelvin, und kalte Wassermoleküle und Eis in interstellaren Wolken und den Rändern des Sonnensystems bei einigen wenigen Kelvin.

Damit Leben wie wir es kennen entstehen kann, ist flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche erforderlich. Doch flüssiges Wasser auf der Oberfläche von Exoplaneten nachzuweisen, ist, insbesondere bei potentiell bewohnbaren Planeten von der Größe der Erde, noch nicht möglich. Wir wissen jedoch, dass, wenn Wasser auf der Oberfläche vorhanden ist, dieses auch als Wasserdampf in der Atmosphäre vorkommen muss, wenn es durch die Strahlung des Muttersterns zusammen mit anderen Stoffen verdunstet. Diese heißen Moleküle sind also der Schlüssel beim Aufspüren bewohnbarer Planeten, und die Entwicklung empfindlicher Verfahren stellt somit den ersten Schritt auf der Suche nach außerirdischem Leben dar.

Was für Verfahren haben Sie entwickelt, um diese heißen Moleküle nachzuweisen?

Das größte Problem bei der Untersuchung extrasolarer Planetensysteme besteht darin, das vom Planeten reflektierte Licht vom viel helleren direkten Licht seines Muttersterns zu trennen. Zu diesem Zweck setzt das HOTMOL-Team eine hochentwickelte Doppel-Differential-Technik namens Spektropolarimetrie ein.

Zuerst wird das vom Planeten reflektierte Licht in Spektrallinien aufgebrochen, da bestimmte Moleküle im stellaren Spektrum möglicherweise nicht vorhanden sind oder hinsichtlich der Spektrallinien bei ihrer Geschwindigkeit verschoben sind. Anschließend werden die planetaren Spektrallinien im polarisierten Licht nahe bestimmter Orbitalphasen sichtbar. Diese Linien würden somit im polarisiertem Licht regelmäßig erscheinen und wieder verschwinden, während der Planet seinen Stern umkreist. Mit diesem Ansatz wird die Messempfindlichkeit um mindestens eine Größenordnung erhöht, und er kann darüber hinaus als Plausibilitätsprüfung für den allein auf Spektroskopie gestützten Nachweis von Molekülen dienen.

Die Spektral- und Polarisationssignale erweisen sich zusammen als wertvolle Informationsquelle zu den physikalischen Bedingungen auf Exoplaneten oder bei Planetesimalen in der Nähe eines Sterns. In einem Spin-off-Projekt von HOTMOL wurde dieselbe Technik eingesetzt, um auf entfernten Planeten Photosynthese betreibende Organismen zu finden. Wir haben die polarisierten Spektren terrestrischer Pflanzen und Bakterien gemessen und die Spektren erdähnlicher Planeten auf photosynthetische Biosignaturen überprüft. Wir konnten zeigen, dass unser Verfahren für solche Biosignaturen deutlich empfindlicher ist. Es ist denkbar, dass mit aktuellen großen Teleskopen in einigen nahegelegenen Sonnensystemen, insbesondere bei Alpha Centauri A und B, gezielt nach solchen Signalen gesucht werden könnte, falls dort eines Tages Planeten entdeckt werden sollten.

Wie verhalten sich diese neuen Verfahren im Vergleich zu den aktuellen?

Bei heutigen Beobachtungsmethoden werden nur unpolarisierte Strahlung und Spektren berücksichtigt, wenn nach Exoplaneten gesucht wird. Das HOTMOL-Team unternimmt Anstrengungen, um diese Untersuchungen mit polarisiertem Licht zu unterstützen. Wie bereits erwähnt ist die Empfindlichkeit mit polarisiertem Licht bereits um eine Größenordnung erhöht, wird jedoch durch die Implementierung neuer optischer und elektronischer Technologien noch weiter gesteigert.

Des Weiteren sind Variationen der polarisierten Strahlung unabhängig davon beobachtbar, ob sich der Planet auf unserer Sichtlinie vor seinem Stern vorbeibewegt, sodass dieses Verfahren für deutlich mehr Exoplaneten anwendbar sein könnte. Auch eine Technik für spektrale Kreuzkorrelation, das von einem anderen Team eingesetzt wurde, wies hohes Potential für den Nachweis von Exoplaneten auf. Indem wir diese mit Polarisationsmessungen ergänzen, können wir die physikalischen Bedingungen in exoplanetaren Atmosphären umfassend untersuchen.

Was wären die technischen Voraussetzungen, um diese Techniken in der Exoplanetenforschung anzuwenden?

Unser erstes Ziel ist es, neuartige Verfahren zu entwickeln, doch abschließend möchten wir diese auch für die breite Anwendung verfügbar machen. Vor allem benötigt man hierzu eine speziell zu diesem Zweck eingesetzte Beobachtungsanlage wie etwa ein Netzwerk aus Teleskopen, die mit hochempfindlichen Polarimetern ausgestattet sind.

Zusammen mit unseren Partnern an der finnischen Universität Torku und der US-amerikanischen Universität Hawaii haben wir mehrere Exemplare unserer hochempfindlichen Polarimeter hergestellt, die nun mit verschiedenen Teleskopen auf der ganzen Welt eingesetzt werden: auf den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa, auf den hawaiianischen Bergen Mauna Kea und Haleakala und ab Ende dieses Jahres auch in Tasmanien. Zudem sind wir Mitglied des Teleskopkonsortiums PLANETS (Polarized Light from Atmospheres of Nearby Extra-Terrestrial Systems), wie es auch die Universitäten von Hawaii (USA) und Tohoku (Japan) sind. Dieses Teleskop, das auf dem Haleakala errichtet werden soll, wird eines der speziellen Anlagen unseres Netzwerks sein.

Für den eindeutigen Nachweis von Leben auf einem Exoplaneten wird eine deutlich größere Einrichtung erforderlich sein. Die ersten Schritte werden möglicherweise mit den Teleskopen der 30-m-Klasse gemacht werden, etwa dem E-ELT der ESO, das in Chile geplant ist. Doch um systematisch zu untersuchen, ob Leben in unserer solaren Nachbarschaft möglich ist, benötigen wir ein Teleskop der 100-m-Klasse wie das Colossus oder den Exo-Life Finder (ELF), zu denen wir mit wissenschaftlichen Fällen beitragen.

Was möchten Sie bis zum Ende des Projekts noch erreichen?

Während der vier bisherigen Projektjahre haben wir viele theoretische Verfahren entwickelt und ein hohes Datenvolumen gesammelt und analysiert. Im letzten Projektjahr möchten wir in erster Linie zahlreiche Publikationen fertigstellen. Ende des fünften Jahres werden wir eine internationale Konferenz und einen Kurs zu heißen Molekülen und Biosignaturen bei Exoplaneten organisieren, um unsere Ergebnisse vorzustellen und Fachkollegen in Seminaren in der Anwendung unserer Verfahren und Daten zu schulen.

Wann und wie werden diese Verfahren für die wissenschaftliche Gemeinschaft verfügbar sein?

Unsere theoretischen Instrumente einer breiteren Gruppe von Forschern zur Verfügung zu stellen, ist eines der Hauptziele von HOTMOL. Speziell zu diesem Zweck haben wir eine Website eingerichtet, auf der unsere Tools online ausgeführt werden können, sogar über ein Mobiltelefon. Sie enthalten inzwischen Berechnungen zu molekularen magnetischen Eigenschaften, molekularen polarisierten Spektren, Transiten und Eklipsen von Exoplaneten vor ihrem Mutterstern und stellar gestreuter Polarisierung. Wir werden weitere Tools für die Exoplanetenforschung bereitstellen und die Website auch nach Projektende weiterbetreiben. Zu unseren Ressourcen zählen auch die mit unseren Instrumenten gesammelten Daten. Die Tools können nach einer Online-Registrierung kostenlos genutzt werden.

HOTMOL
Gefördert unter FP7-IDEAS-ERC
Projektwebsite
CORDIS-Projektseite

Quelle: Interview aus dem Magazin research*eu Ergebnisse, Ausgabe 53, S. 9–11

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Datensatznummer: 125623 / Zuletzt geändert am: 2016-06-24
Kategorie: Interviews
Anbieter: ec