Vor 27 Jahren entdeckten Michel Mayor und Didier Queloz – heute Professor an der ETH – an der Universität Genf den ersten extrasolaren Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist. Seit dieser ersten Entdeckung ist viel passiert: Astronomen haben inzwischen mehr als 5.000 Exoplaneten in über 3.700 verschiedenen Planetensystemen identifiziert, viele davon von ähnlicher Größe wie die Erde. Da bisher nur ein winziger Teil des Universums analysiert wurde, scheint es sicherlich plausibel, darauf hinzuweisen, dass Leben auf anderen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems existieren könnte.
Doch wie Ihnen jeder Wissenschaftler bestätigen wird, ist eine plausible Hypothese nicht dasselbe wie ein Beweis. Dies hat viele Forscher dazu veranlasst, sich zu fragen, wie wir in der Lage sein könnten, die Existenz von Leben außerhalb unseres Sonnensystems nachzuweisen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Analyse der Atmosphäre von Exoplaneten. Durch die Untersuchung der Absorptionslinien im optischen Spektrum eines Wirtssterns können Wissenschaftler zumindest bei größeren Planeten bestimmen, welche Moleküle in der Atmosphäre eines Exoplaneten vorhanden sind.
Neben der Suche nach Spuren von Methan, Kohlendioxid, Sauerstoff oder Wasserdampf interessieren sie sich auch dafür, in welchen Kombinationen diese Stoffe vorkommen. „Sowohl Methan als auch Sauerstoff sind in der Erdatmosphäre vorhanden“, sagt Sascha Quanz, Professor für Exoplaneten und Bewohnbarkeit an der ETH Zürich. „Das ist ein chemisches Ungleichgewicht, das ohne lebende Organismen nicht existieren würde.“ Mit anderen Worten, das Leben muss dieses Ungleichgewicht verursacht haben. Die Entdeckung eines solchen Ungleichgewichts in der Atmosphäre eines erdähnlichen Exoplaneten wäre ein starker Hinweis auf das Vorhandensein von Leben.
Im Idealfall wäre es natürlich besser, wenn wir direkte Bilder von Exoplaneten aufnehmen könnten, anstatt sie indirekt zu beobachten, während sie vor ihrem Wirtsstern vorbeiziehen. Dies ist jedoch leichter gesagt als getan, da Exoplaneten fast vollständig vom Glanz ihrer Muttersterne verdeckt werden. Um dieses Problem anzugehen, hat Quanz zusammen mit anderen Forschern ein Instrument für das Extremely Large Telescope (ELT) entwickelt.
Der Bau des ELT in der chilenischen Atacama-Wüste ist derzeit im Gange, und sobald der 39-Meter-Spiegel des Teleskops betriebsbereit ist, wird er die Fähigkeit der Astronomen, tiefer in den Weltraum zu blicken, massiv verbessern. „Mit dem ELT werden wir dann erstmals in der Lage sein, direkte Bilder eines erdähnlichen Planeten aufzunehmen, der einen nahen Stern umkreist, weil dieses neue Instrument das Licht dieses Sterns ausblendet“, sagt Quanz.
Eine Überraschung nach der anderen
Doch wohin sollen Forscher die Suche nach Leben lenken? Und nach welchen Signalen sollten sie suchen? Einige Hinweise können in physikalischen Modellen gefunden werden, wie sie von Judit Szulágyi, Assistenzprofessorin für Computational Astrophysics, und ihrer Gruppe entwickelt wurden. Diese Modelle können verwendet werden, um zu rekonstruieren, wie sich Planeten im Laufe der Zeit aus der anfänglichen, protoplanetaren Staub- und Gasscheibe bilden, die um einen neu entstandenen Stern wirbelt, und sie helfen auch bei der Bestimmung, welche Objekte einer genaueren Untersuchung durch Teleskop würdig sind.
Szulágyi baut Modelle, die eine ganze Reihe von Faktoren berücksichtigen, darunter Gravitationskräfte, Magnetismus, Gasbewegungen und die Art und Weise, wie Sternenlicht mit dem Scheibenmaterial interagiert. Durch die Berechnung unzähliger verschiedener Kombinationen dieser Parameter können wir uns eine Vorstellung von der Vielfalt planetarer Welten machen, die im Universum existieren könnten.
Doch die Erfahrung zeigt immer wieder, dass die Natur oft mehr in petto hat, als die Modelle vorhersagen. Beispielsweise überraschten die ersten Exoplaneten die wissenschaftliche Gemeinschaft, weil Astronomen nie vermutet hatten, dass Riesenplaneten von der Größe des Jupiters so nahe um ihren Mutterstern kreisen könnten. Die Forscher waren gleichermaßen fasziniert von der Existenz sogenannter Supererden, die felsig wie die Erde sind, aber etwa eineinhalb Mal größer sind.
Szulágyi räumt ein, dass sich ihre Modelle regelmäßig als ungenau herausstellen und neu berechnet werden müssen, bleibt aber optimistisch: „Es drängt uns ständig dazu, unsere Vorstellungen über die Entstehung von Planeten zu überdenken.“ Eine der zentralen Fragen, die Szulágyi mit ihren Modellen zu beantworten hofft, betrifft die Herkunft des Wassers. „Das Leben auf der Erde braucht Wasser“, sagt sie. „Daher unser Interesse an Orten, die Wasser aufweisen.“
Solche Körper können sogar in unserem eigenen Sonnensystem gefunden werden, und Astronomen sind bestrebt, in den kommenden Jahren mehr über sie herauszufinden. Dazu gehören der Jupitermond Europa, der wahrscheinlich einen Ozean unter seiner dicken Eiskruste beherbergt, und der Saturnmond Enceladus, wo Wissenschaftler Fontänen aus Eispartikeln beobachtet haben, die aus der Oberfläche ausbrechen.
Ganz andere Welten
Die Geologie kann auch nützliche Hinweise auf die Zusammensetzung fremder Welten in anderen Planetensystemen liefern. Paolo Sossi, Assistenzprofessor für Experimentelle Planetologie, untersucht die exotischen Mineralien, Flüssigkeiten und Gase, aus denen das Innere und die Atmosphäre anderer Planeten bestehen. „In unseren Experimenten simulieren wir verschiedenste Bedingungen“, sagt er. „Sie helfen uns dabei, uns ein Bild davon zu machen, was auf der Oberfläche eines Planeten passiert und was darin vor sich geht.“
Unser Wissen über die chemische Zusammensetzung anderer Planeten ist noch lückenhaft, was Sossis Aufgabe schwieriger macht. „Die Untersuchung des optischen Spektrums des Wirtssterns gibt uns eine erste Vorstellung von der chemischen Zusammensetzung eines Planeten“, sagt Sossi. „Das liefert die Grundlage, um zu verstehen, welche Elemente in welcher Menge vorhanden sind.“
Durch die Kombination von Informationen über die Masse und den Durchmesser der verschiedenen Planeten mit den Ergebnissen der Modellierung können die Wissenschaftler dann ableiten, wie verschiedene Elemente tatsächlich im gesamten Planetensystem um den Stern herum verteilt sind. Unser eigenes Sonnensystem ist eine nützliche Referenz, denn 60 bis 70 % aller bisher untersuchten Sternensysteme haben eine ähnliche chemische Zusammensetzung. Sossi versucht daher mit numerischen Modellen, die Entstehung der Erde und ihrer Nachbarplaneten besser zu verstehen. Dadurch erhält er die Informationen, die er braucht, um Masse, Anzahl und Verteilung der Planeten um andere Sterne zu rekonstruieren.
Es gibt aber auch Sterne, die eine ganz andere chemische Zusammensetzung haben als unsere Sonne. Beispielsweise kann ein Stern mehr Kohlenstoff und weniger Sauerstoff enthalten, was bedeuten könnte, dass die Planeten, die ihn umkreisen, aus anderen Mineralien bestehen als unsere Erde. „Die vorherrschenden Mineralien auf solchen kohlenstoffreichen Planeten könnten Siliziumkarbid und Titankarbid oder sogar Diamanten sein“, sagt Sossi. Dies wiederum hätte Auswirkungen auf die Atmosphäre des Planeten – zum Beispiel könnte der Regen auf einem solchen Planeten aus Graphittropfen statt aus Wasser bestehen.
Eine langfristige Vision
Letztendlich hängt der Erfolg unserer Suche nach außerirdischem Leben von einer Kombination verschiedener Faktoren ab. Teleskopbeobachtungen, Laborexperimente und numerische Modelle sind zweifellos Schlüsselelemente in jedem Forschungsprogramm. Aber wir brauchen auch intelligente Algorithmen, die aus riesigen Datenmengen möglichst viele wissenschaftliche Informationen gewinnen können, sowie Instrumente, die den Forschern genau die Daten liefern, die sie brauchen. „Instrumentenentwicklung hat für Planetenforscher wie mich oberste Priorität“, sagt Quanz. „Als Forscher müssen wir verstehen, wie Instrumente funktionieren, um zu wissen, welche Art von Informationen wir von ihnen erhalten können.“
Unabdingbar ist auch eine langfristige Perspektive, weshalb Quanz bereits einen Schritt weiter denkt. Er leitet eine internationale Initiative, die sich zum Ziel gesetzt hat, bei der Suche nach außerirdischem Leben große Fortschritte zu erzielen. Dies ist Teil einer der großen Wissenschaftsmissionen, die die Europäische Weltraumorganisation ESA zwischen 2035 und 2050 startet.
„Wir stoßen mit bodengestützten Teleskopen an die Grenze dessen, was wir erreichen können, weil alle Moleküle, die wir suchen, auch in der Erdatmosphäre vorkommen und die Temperatur der Erde ähnlich der der uns interessierenden Exoplaneten ist ,“ er sagt. „Wenn wir dem enormen Hintergrundrauschen der Erde entkommen wollen, müssen wir in den Weltraum aufbrechen. Es ist möglicherweise die einzige Möglichkeit, Spuren von Leben in der Atmosphäre von Exoplaneten zu entdecken.“
Leider gibt es keine Möglichkeit, so große Teleskope wie in der Atacama-Wüste im All zu installieren. Quanz und seine Kollegen haben daher ein mutiges Projekt vorgeschlagen, das als Large Interferometer for Exoplanets (LIFE) bekannt ist. Die Idee ist, vier weitere kleine Teleskope am zweiten Lagrange-Punkt zu positionieren, wo das James-Webb-Weltraumteleskop die spektakulären Bilder aufgenommen hat, die kürzlich die Welt begeisterten.
„Durch die Kombination von Messsignalen mehrerer kleiner Teleskope erreichen wir eine ähnliche Auflösung wie bei einem einzelnen, größeren Teleskop.“ sagt Quanz. „Damit können wir erstmals Dutzende von erdähnlichen Planeten direkt abbilden und chemisch charakterisieren.“
Bevor dies geschehen kann, müssen die Wissenschaftler eine ganze Reihe technischer Herausforderungen lösen: Die Teleskope müssen in einer sehr präzisen Formation fliegen, die sich jedes Mal ändert, wenn ein neues Planetensystem anvisiert wird; die Messsignale der einzelnen Satelliten müssen hochpräzise synchronisiert werden; und die Teleskope müssen mit extrem empfindlichen Sensoren ausgestattet sein, um das wenige Licht einzufangen, das von dem Planeten ausgeht. Ebenso kritisch ist die Frage, wie die Satelliten angetrieben werden, da ihre Neupositionierung erhebliche Mengen an Treibstoff erfordert.
All das sei technisch machbar, sagt Quanz, bedürfe aber nicht nur wissenschaftlicher, sondern auch forschungspolitischer Anstrengungen großer Anstrengungen. „Letztendlich ist es eine Frage der Prioritäten“, sagt er. „Zum ersten Mal haben wir die Chance, eine empirische Antwort auf die Frage zu geben, ob außerirdisches Leben existiert. Diese Antwort zu finden, würde unsere Sicht auf die Welt grundlegend verändern – das ist keine Gelegenheit, die wir verpassen sollten.“