Kann JWST den Unterschied zwischen einer exoEarth und einer exoVenus erkennen?

Bis Oktober 2023 haben Astronomen 5.506 Exoplaneten entdeckt, die andere Sterne umkreisen. Diese Zahl wächst täglich und Astronomen hoffen unter anderem, erdähnliche Welten zu finden. Aber werden wir eines erkennen, wenn wir es sehen? Wie könnten wir aus einer Entfernung von mehr als 40 Lichtjahren einen erdähnlichen Garten von einem venusähnlichen Schnellkochtopf unterscheiden? Ist JWST der Herausforderung gewachsen?

In einem Artikel, der im Vordruck veröffentlicht wurde auf dem Server arXivVier Forscher haben das Weltraumteleskop mithilfe einer Simulation auf die Probe gestellt. Sie fanden heraus, dass es tatsächlich verräterische Signaturen gibt, die uns helfen sollten, die ExoVenusen aus ExoEarths zu analysieren – aber es gibt einen Haken (wir werden darauf zurückkommen).

Diese Simulation funktionierte folgendermaßen: Die Forscher platzierten sechs erdähnliche Planeten und sechs venusähnliche Planeten in einer Entfernung von 40 Lichtjahren, jeweils mit unterschiedlichem Kohlendioxidgehalt (CO2), Wolkenbedeckung und Dunst in ihrer Atmosphäre. Die simulierten Planeten umkreisten einen Stern, der mit TRAPPIST-1 identisch war.

In der realen Welt ist TRAPPIST-1 eines der vielversprechendsten bisher entdeckten Systeme, in dem Astronomen hoffen, eine Exo-Erde zu finden. Er weist einen schwachen roten Zwergstern auf (was die Beobachtung seiner Planeten einfacher macht, als dies bei einem hellgelben Stern wie unserer Sonne der Fall wäre). Das System verfügt über sieben Gesteinswelten, von denen drei oder vier möglicherweise in der bewohnbaren Zone des Sterns liegen. JWST hat bereits die beiden innersten Planeten beobachtet und festgestellt, dass es sich dabei um karge Felsen handelt, die eher Merkur als der Erde oder der Venus ähneln.

In der Simulation wurden die Umlaufbahnen der Testplaneten direkt an der „Grenze des außer Kontrolle geratenen Treibhauses“ platziert: der Entfernung vom Stern, in der es möglich ist, dass sich dieselbe Planetenkatastrophe ereignet, die die Venus in eine Höllenlandschaft verwandelt hat.

Die Autoren richteten ein simuliertes JWST auf die Planeten, das den Fähigkeiten des NIRCSpec-Instruments des echten Teleskops entsprach, das die Wellenlängen des Lichts von fernen Welten beobachtet. Verschiedene Verbindungen in der Atmosphäre erscheinen in den Spektren als Peaks, Muster und Spitzen, sodass Forscher erkennen können, welche chemischen Verbindungen vorhanden sind.

Aber die Daten sind nicht immer eindeutig. Die spektralen Signaturen einiger Moleküle verbergen die Signaturen anderer oder ahmen sie nach, sodass es schwierig ist, sicher zu wissen, was wir sehen.

„Venusähnliche Wolken und Dunst können den Nachweis molekularer Spezies oder einer Atmosphäre überhaupt verhindern“, schreiben die Autoren.

Das bedeutet jedoch nicht, dass es unmöglich ist, und das Modell sollte dabei helfen, festzustellen, wonach Astronomen suchen sollten. Folgendes haben sie gefunden:

Wenn Sie zunächst feststellen möchten, ob ein Planet überhaupt eine Atmosphäre hat, unabhängig davon, ob er erd- oder venusähnlich ist, ist es am besten, nach Kohlendioxid (CO2) zu suchen. Es verfügt über ein leicht erkennbares Signal und bleibt sowohl für Planeten mit klarem Himmel als auch für Planeten mit Dunst und Wolken sichtbar.

Für die Unterscheidung zwischen Erde und Venus ist CO2 jedoch weniger nützlich, da sich die Signatur von CO2 sowohl mit der von Wasser als auch von Methan überschneidet, was die Daten verfälscht.

Es gibt nur ein spektrales Merkmal, das auf einem venusähnlichen Planeten deutlich zu erkennen ist, auf einem erdähnlichen jedoch nicht: Schwefeldioxid (SO2). SO2 reagiert mit Wasserdampf. Wenn es also vorhanden ist, würde es einen feuchten, erdähnlichen Planeten ausschließen und einen trockenen, venusähnlichen Planeten bestätigen.

Hier ist der Haken. In der realen Welt hat die Venus tatsächlich nicht viel SO2. Die UV-Strahlung der Sonne hat es abgetragen.

Aber es gibt noch Hoffnung. In der Nähe eines TRAPPIST-1-ähnlichen Roten Zwergs würde SO2 viel länger anhalten, was den Nachweis von SO2 in diesem Szenario ermöglichen würde.

„Der reduzierte UV-Ausstoß von TRAPPIST-1 ermöglicht eine längere Lebensdauer von SO2 in der ExoVenus-Atmosphäre, was die Möglichkeit erhöht, dass SO2 nachweisbar ist“, behaupten die Autoren.

Bei einem erdähnlichen Planeten ist Methan die beste Signatur. Es gibt Absorptionsmerkmale von Methan, die auf der Venus nicht sichtbar sind und sich deutlich von CO2 unterscheiden lassen. Wenn Methan außerdem von Sauerstoff begleitet wird, kann es ein Beweis für Leben sein.

Die Forscher schätzten auch, wie viel Beobachtungszeit das JWST benötigen würde, um die verschiedenen chemischen Signaturen zu erkennen, und bestätigten, dass dies innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens möglich ist.

Die größte Erkenntnis aus diesen neuen Modellen? „Es wird wahrscheinlich einfacher sein, eine ExoErde zu bestätigen als eine ExoVenus“, schließen die Autoren.