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Vielversprechende Möglichkeit zum Nachweis von Sauerstoff auf nahen sonnenähnliche Sterne umkreisenden Planeten

Können Weltraumteleskope die atmosphärischen Bedingungen auf erdähnlichen Exoplaneten schnell ermitteln? Ein neues Verfahren zeigt, wie das funktionieren kann.

Weltraum

Fragen Sie sich nicht manchmal, ob es Leben außerhalb unseres Sonnensystems gibt? Was wäre, wenn die Wissenschaft einen nahen erdähnlichen Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist, fände? Seit Anfang der 1990er Jahre, als Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erste Exoplaneten – Planeten, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen – entdeckten, ist die offizielle Anzahl der registrierten Exoplaneten laut NASA auf über 4 000 gestiegen. Exoplaneten mit Atmosphären zu finden und ihre atmosphärische Zusammensetzung zu bestimmen ist ein entscheidender Schritt bei der Lokalisierung von Orten mit Spuren von Leben. Ein Forschungsteam hat mit anteiliger Förderung durch das EU-finanzierte Projekt ESCAPE (Exploring Shortcuts for the Characterization of the Atmospheres of Planets similar to Earth) ein neues Verfahren entwickelt, um die Suche nach Leben auf anderen Planeten zu beschleunigen. Das Forschungsteam veröffentlichte die Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“. Um Leben oder gar bewohnbare Bedingungen außerhalb unseres Sonnensystems zu finden, benötigen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler boden- und weltraumgestützte Beobachtungen, wie jene, die durch den Transiting Exoplanet Survey Satellite der NASA und das James-Webb-Weltraumteleskop, das 2021 in Betrieb gehen soll, ermöglicht werden. Durch flüssiges Oberflächenwasser können bewohnbare Bedingungen und so möglicherweise Lebensformen entstehen, die gegebenenfalls mit der darüberliegenden Atmosphäre interagieren. Diese Lebensformen könnten Biosignaturen erzeugen, die die momentanen Gaszusammensetzungen auf der Erde (Sauerstoff, Ozon, Methan, Kohlendioxid und Wasserdampf) oder die von vor 2,7 Milliarden Jahren umfassen (hauptsächlich Methan und Kohlendioxid). Derartige physikalische Marker für Leben könnten mithilfe von Teleskopen wie dem James-Webb-Teleskop nachgewiesen werden. Doch wonach sollte gesucht werden, um zu ermitteln, ob ein Planet über große Mengen Sauerstoff verfügt oder nicht? Im Rahmen der in „Nature Astronomy“ veröffentlichten Studie „fand das Forschungsteam ein starkes Signal, das Sauerstoffmoleküle bei der Kollision erzeugen“, wie in einer Pressemitteilung der Universities Space Research Association (USRA) erklärt wurde. „Vor unserer Arbeit wurde angenommen, dass Sauerstoff in ähnlichen Konzentrationen wie in der Atmosphäre der Erde mit dem Webb-Teleskop nicht nachweisbar ist, aber wir sind gerade im Begriff, eine vielversprechende Möglichkeit für die Detektion von Sauerstoff in nahen Planetensystemen zu ermitteln“, sagt Thomas J. Fauchez, Hauptautor der Studie. In der gleichen Pressemitteilung sagt er weiter: „Dieses Sauerstoffsignal ist seit den frühen 1980er Jahren aus atmosphärischen Untersuchungen der Erde bekannt, wurde jedoch nie für die Exoplanetenforschung untersucht.“

Computersimulationen

Schwerpunkt der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler war die Erstellung von Computermodellen der Atmosphäre eines Exoplaneten, der einen M-Zwergstern umkreist, auch Roter Zwergstern genannt – der häufigste Sterntyp im Universum –, und die Simulation von dessen Sauerstoffsignaturen. Da M-Zwergsterne, die kleiner, kälter und schwächer als die Sonne sind, mit intensivem ultravioletten Licht meist aktiver sind, untersuchte das Forschungsteam, welchen Einfluss die Strahlung eines Roten Zwergsterns auf die Atmosphäre seiner Planten hat. Das Team simulierte, wie sich die Farbbestandteile des Lichts des Sterns zu dem Zeitpunkt verändern, wenn diese Planeten vor ihm vorbeiziehen. In der Pressemitteilung der USRA heißt es: „Wenn Sternenlicht die Atmosphäre des Exoplaneten durchleuchtet, absorbiert Sauerstoff bestimmte Farben (Wellenlängen) des Lichts – in diesem Fall Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 6,4 Mikrometern. Wenn Sauerstoffmoleküle miteinander oder mit anderen Molekülen in der Atmosphäre des Exoplaneten kollidieren, wird das Sauerstoffmolekül durch die bei der Kollision freigesetzte Energie in einen speziellen Zustand versetzt, in dem es zeitweise Infrarotlicht absorbieren kann.“ Dieses Absorptionssignal kann dann von den Instrumenten an Teleskopen wie dem Webb-Teleskop erfasst werden. Das laufende Projekt ESCAPE wurde ins Leben gerufen, um die atmosphärische Zusammensetzung erdähnlicher Exoplaneten mit bereits vorhandenen Boden- und Weltraumteleskopen schnell zu bestimmen. Weitere Informationen: ESCAPE-Projekt

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