Ein neuer Weg zum Nachweis von Sauerstoff in Atmosphären von Exoplaneten

Erde aus dem Weltraum mit Sonne und Sternen im Hintergrund gesehen.

Ungefähr 21 % der Erdatmosphäre besteht aus Sauerstoff. Auf unserem Planeten wird Sauerstoff von lebenden Organismen wie Pflanzen, Algen und Cyanobakterien produziert. Wenn wir Sauerstoff in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachweisen könnten, könnte dies ein Hinweis darauf sein, dass dort etwas lebte. Bild über Shutterstock/Die Unterhaltung.


NASAsJames Webb WeltraumteleskopDie Markteinführung ist derzeit für Anfang 2021 geplant. Es wird der Nachfolger von Hubble und ein leistungsstarkes neues Werkzeug bei der Suche und Untersuchung vonExoplaneten– Welten, die andere Sterne umkreisen – insbesondere solche, die Leben unterstützen könnten. Forscher sagen nun, dass sie eine neue Technik entwickelt haben, die Wissenschaftlern helfen könnte, das Webb-Teleskop zu verwenden, um eine mögliche Schlüsselsignatur von außerirdischem Leben – Sauerstoff, in der Atmosphäre einer fernen Welt – mit größerer Effizienz als zunächst erwartet zu erkennen.

Die Forscher vom Goddard Space Flight Center der NASAangekündigtdass das Webb-Teleskop in der Lage sein wird, ein einzigartiges Signal zu identifizieren, das erzeugt wird, wenn Sauerstoffmoleküle kollidieren. Wenn dieses Signal in der Atmosphäre eines Exoplaneten gefunden würde, wäre dies ein starker Hinweis darauf, dass Sauerstoff und möglicherweise Leben auf der Oberfläche des Planeten vorhanden sind.


Das vielversprechendepeer-reviewedErgebnisse warenveröffentlichtim TagebuchNaturastronomieam 6. Januar 2020.

Wir sprechen hier von der Suche nachBiosignaturen– physische Marker, die das Vorhandensein von Leben anzeigen – in der Atmosphäre von Exoplaneten. Früher dachte man, wenn ein Exoplanet einen ähnlichen Sauerstoffgehalt in seiner Atmosphäre wie die Erde hätte, wäre der Sauerstoff für das Webb-Teleskop nicht nachweisbar. WieThomas Fauchezam Goddard Space Flight Center, Hauptautor der neuen Studie,erklärt:

Vor unserer Arbeit wurde angenommen, dass Sauerstoff in ähnlichen Konzentrationen wie auf der Erde mit Webb nicht nachweisbar ist, aber wir identifizieren einen vielversprechenden Weg, ihn in nahegelegenen Planetensystemen nachzuweisen. Dieses Sauerstoffsignal ist seit den frühen 80er Jahren aus atmosphärischen Studien der Erde bekannt, wurde jedoch nie für die Exoplanetenforschung untersucht.

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Drei Planeten in der Nähe eines kleinen roten Sterns.

Künstlerisches Konzept von 3 der 7 bekannten erdgroßen Exoplaneten, die den Roten Zwergstern TRAPPIST-1 umkreisen. Rote Zwerge sind die häufigsten Sterne in unserer Galaxie, und das James-Webb-Weltraumteleskop wird in der Lage sein, Sauerstoff in der Atmosphäre solcher Welten zu entdecken, zumindest in relativ nahen. Der Rote Zwerg und die Exoplaneten TRAPPIST-1 sind etwa 40 . großLichtjahreein Weg. Bild über ESO/M. Kornmesser /Schiefer.

Was ist diese neue Methode und wie haben die Forscher sie entwickelt?

Sie konzentrierten sich auf die Erstellung von Computermodellen der Atmosphären von Exoplaneten im Orbitroter ZwergSterne – die häufigsten Sterne in unserer Milchstraße – und simulieren die Sauerstoffsignaturen dieser Welten. Da Rote Zwerge in der Regel aktive Sterne mit intensiver Strahlung sind, untersuchten sie, wie sich die Strahlung eines Roten Zwergs auf die Atmosphären seiner Planeten auswirkt.

Dann simulierten sie, wie sich die Farben des Lichts von den Sternen ändern würden, wenn diese Planeten von der Erde aus gesehen durch ihre Sterne wanderten oder vor ihnen vorbeigingen.


Wie andere Gase absorbiert Sauerstoff bestimmte Farben oder Wellenlängen des Lichts, insbesondere in diesem Fall bei 6,4Mikrometer, im Infrarotbereich deselektromagnetisches Spektrum. Wenn – angespornt durch die Aktivität ihrer Roten Zwergsonnen – Sauerstoffmoleküle in der Luft um entfernte Exoplaneten kollidieren (entweder miteinander oder mit anderen Gasmolekülen in der Atmosphäre des Planeten), erhalten die Sauerstoffmoleküle die vorübergehende Fähigkeit, dieses Infrarotlicht zu absorbieren .

Es ist dieses Absorptionssignal, das von Instrumenten an Bord des Webb-Teleskops erkannt werden kann.

Es gibt auch andere Sauerstoffsignale, die jedoch schwieriger zu erkennen sindGeronimo Villanueva, ein Mitautor des Papiers:

Ähnliche Sauerstoffsignale existieren bei 1,06 und 1,27 Mikrometern und wurden in früheren Studien diskutiert, aber diese sind weniger stark und werden durch das Vorhandensein von Wolken viel stärker abgeschwächt als das 6,4 Mikrometer Signal.


Zwei Planeten nebeneinander, einer mit fleckigen Zügen, der andere glatt, mit anderen Planeten und Sternen in der Ferne.

Konzeptioneller Vergleich von zwei sauerstoffreichen Exoplaneten, einem mit Wasser (links) und einem trockenen (rechts). Bild überNASA/GSFC/ Friedlander-Griswold.

Wenn das Webb-Teleskop letztendlich solche Beweise für Sauerstoff findet, wäre das eine aufregende Entdeckung. Es sollte jedoch daran erinnert werden, dass der Nachweis von Sauerstoff selbst nicht unbedingt ein Lebensbeweis ist. Es gibt andere Möglichkeiten, sich in der Atmosphäre eines Planeten anzusammeln. Wenn die Atmosphäre beispielsweise sehr warm wird, könnte sie mit Wasserdampf gesättigt sein. Die ultraviolette Strahlung des Sterns könnte dann den Wasserdampf in atomaren Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Solche falsch-positiven Entdeckungen hätten nichts mit Leben zu tun, aber JWST könnte helfen, diese Art von Entdeckungen auszusortieren und sie von solchen zu unterscheiden, bei denen Beweise dafür sprechen würden, dass tatsächlich Biologie involviert war.

Aber auch dieses Szenario wäre interessant, da es darauf hindeuten könnte, dass der Planet eine reiche Wassergeschichte hat. Und Wasser ist natürlich lebensnotwendig, zumindest das Leben, wie wir es kennen. Eine solche Entdeckung würde aber auch darauf hindeuten, dass der Planet inzwischen viel Wasser verloren hat. Und zu viel Sauerstoff könnte auch eine schlechte Sache sein, wie ein anderer Co-AutorRavi Kopparapu, genannt:

Je nachdem, wie leicht Webb dieses 6,4-Mikrometer-Signal erkennt, können wir uns eine Vorstellung davon machen, wie wahrscheinlich es ist, dass der Planet bewohnbar ist. Wenn Webb auf einen Planeten zeigt und dieses 6,4-Mikrometer-Signal relativ leicht erkennt, würde dies bedeuten, dass der Planet eine sehr dichte Sauerstoffatmosphäre hat und möglicherweise unbewohnbar ist.

Edward Schwieterman, ein Astrobiologe an der UC Riverside,genannt:

Sauerstoff ist aufgrund seiner Verbindung mit Leben eines der aufregendsten Moleküle, die es zu entdecken gilt, aber wir wissen nicht, ob Leben die einzige Ursache für Sauerstoff in einer Atmosphäre ist. Diese Technik wird es uns ermöglichen, sowohl in lebenden als auch in toten Planeten Sauerstoff zu finden.

Schwieterman added:

Es ist wichtig zu wissen, ob und wie viel tote Planeten Luftsauerstoff produzieren, damit wir besser erkennen können, wann ein Planet lebt oder nicht.

Lächelnder Mann, der im hellen Sonnenlicht vor belaubter Hecke steht.

Thomas Fauchez vom Goddard Space Flight Center, Hauptautor der neuen Studie. Bild über die NASA/Goddard Space Flight Center.

Wenn das James-Webb-Weltraumteleskop Sauerstoff in der Atmosphäre eines Planeten finden würde, der nicht zu warm war oder keine Beweise dafür zeigte, dass der Sauerstoff produziert wurdeabiotisch(ohne Leben) – wie bei einem Planeten, der der Erde ähnlicher ist – das wäre natürlich sehr interessant und wäre ein starker vorläufiger Beweis dafür, dass der Planet eine oder mehrere Formen der Biologie beheimatet.

Unddaswäre spannend.

Eine starke Detektion von Sauerstoff könnte auch genutzt werden, um festzustellen, ob ein Planet überhaupt eine Atmosphäre besitzt. Dies liegt daran, dass die Atmosphäre von Planeten, die in der Nähe von Roten Zwergen kreisen, durch die Strahlung der intensiven stellaren Aktivität dezimiert werden könnte. Laut Fauchez:

Dies ist wichtig, da M-Zwergsterne hochaktiv sind und postuliert wurde, dass stellare Aktivität ganze planetare Atmosphären „wegblasen“ könnte. Es ist wichtig, einfach zu wissen, ob ein Planet, der einen M-Zwerg umkreist, überhaupt eine Atmosphäre haben kann, um die Stern-Planet-Wechselwirkungen um diese zahlreichen, aber aktiven Sterne zu verstehen.

Einer der wichtigsten Aspekte dieser neuen Detektionstechnik ist, dass das Webb-Teleskop deutlich schneller Sauerstoff in einer Planetenatmosphäre finden kann, als bisher für möglich gehalten wurde. Je näher der Planet uns ist, desto einfacher wird es natürlich, aber – wie bei allen Teleskopen – wird das Webb seine Grenzen haben.

Raumschiff mit großem Spiegel mit Wabenmuster.

Künstlerisches Konzept des James Webb Space Telescope. Bild über Northrop Grumman/NASA/Flickr.

Wenn ein Planet, der einen Roten Zwergstern umkreist, eine ähnliche Atmosphäre wie die der Erde hat, müsste dies der Fall seininnerhalb von 16 Lichtjahrenfür das Webb-Teleskop, um den Sauerstoff zu erkennen. Das Teleskop konnte jedoch Sauerstoff in der ausgetrockneten Atmosphäre eines Planeten – in einer Atmosphäre ohne Restfeuchtigkeit – mit einem 22-fachen Druck des Erddrucks, bis zu 82 Lichtjahre, nachweisen.

Nach seinem Start im Jahr 2021 soll das James Webb-Weltraumteleskop jede Phase der Geschichte unseres Universums untersuchen, einschließlich entfernter Exoplaneten, Galaxien, des ersten leuchtenden Leuchtens nach dem Urknall und der Entwicklung unseres eigenen Sonnensystems. Die Suche nach Leben auf Exoplaneten in der Nähe unserer Sonne wird zu den faszinierendsten Studien gehören. Es wird sehr interessant sein zu sehen, was das Webb findet!

Fazit: Eine neue Technik, die von Forschern des Goddard Space Flight Center der NASA entwickelt wurde, könnte dem kommenden James Webb-Weltraumteleskop helfen, Sauerstoff in Exoplanetenatmosphären schneller als bisher angenommen zu finden. Dies wird die Suche nach außerirdischem Leben beschleunigen.

Quelle: Sensible Sondierung von exoplanetarem Sauerstoff über Kollisionsabsorption im mittleren Infrarot

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