Eine kohlenstoffhaltige Atmosphäre könnte laut Studie ein Zeichen für Wasser und Leben auf anderen terrestrischen Planeten sein

Wissenschaftler am MIT, der University of Birmingham und anderswo sagen, dass die beste Chance für Astronomen, flüssiges Wasser und sogar Leben auf anderen Planeten zu finden, darin besteht, eher nach dem Fehlen als nach dem Vorhandensein eines chemischen Merkmals in deren Atmosphären zu suchen.

Die Forscher schlagen vor, dass, wenn ein terrestrischer Planet im Vergleich zu anderen Planeten im selben System wesentlich weniger Kohlendioxid in seiner Atmosphäre hat, dies ein Zeichen für flüssiges Wasser – und möglicherweise Leben – auf der Oberfläche dieses Planeten sein könnte.

Darüber hinaus befindet sich diese neue Signatur im Visier des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA. Während Wissenschaftler andere Anzeichen der Bewohnbarkeit vorgeschlagen haben, sind diese Merkmale mit aktuellen Technologien schwierig, wenn nicht sogar unmöglich zu messen. Das Team sagt, dass diese neue Signatur aus relativ reduziertem Kohlendioxid das einzige Zeichen der Bewohnbarkeit ist, das derzeit erkennbar ist.

„Der Heilige Gral in der Exoplanetenwissenschaft besteht darin, nach bewohnbaren Welten und der Anwesenheit von Leben zu suchen, aber alle Merkmale, über die bisher gesprochen wurde, lagen außerhalb der Reichweite der neuesten Observatorien“, sagt Julien de Wit, Assistenzprofessor für Planetenwissenschaften am MIT. „Jetzt haben wir eine Möglichkeit herauszufinden, ob es auf einem anderen Planeten flüssiges Wasser gibt. Und das können wir in den nächsten Jahren erreichen.“

Die Ergebnisse des Teams werden in veröffentlicht Naturastronomie. De Wit leitete die Studie gemeinsam mit Amaury Triaud von der University of Birmingham im Vereinigten Königreich. Zu ihren MIT-Co-Autoren gehören Benjamin Rackham, Prajwal Niraula, Ana Glidden, Oliver Jagoutz, Matej Peč, Janusz Petkowski und Sara Seager sowie Frieder Klein von der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), Martin Turbet von der Ècole Polytechnique in Frankreich und Franck Selsis vom Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux.

Jenseits eines Schimmers

Bisher haben Astronomen mehr als 5.200 Welten außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt. Mit aktuellen Teleskopen können Astronomen direkt die Entfernung eines Planeten zu seinem Stern und die Zeit messen, die er für eine Umlaufbahn benötigt. Diese Messungen können Wissenschaftlern dabei helfen, Rückschlüsse darauf zu ziehen, ob sich ein Planet in einer bewohnbaren Zone befindet. Es gibt jedoch keine Möglichkeit, direkt zu bestätigen, ob ein Planet tatsächlich bewohnbar ist, was bedeutet, dass sich auf seiner Oberfläche flüssiges Wasser befindet.

In unserem eigenen Sonnensystem können Wissenschaftler das Vorhandensein flüssiger Ozeane erkennen, indem sie „Glints“ beobachten – Sonnenlichtblitze, die von flüssigen Oberflächen reflektiert werden. Diese Glitzereffekte oder spiegelnden Reflexionen wurden beispielsweise auf dem größten Saturnmond, Titan, beobachtet, was zur Bestätigung der großen Seen auf dem Mond beitrug.

Die Entdeckung eines ähnlichen Schimmers auf weit entfernten Planeten ist mit aktuellen Technologien jedoch unerreichbar. Aber de Wit und seine Kollegen erkannten, dass es in der Nähe ihres Zuhauses noch ein weiteres bewohnbares Merkmal gibt, das in fernen Welten erkennbar sein könnte.

„Eine Idee kam uns, als wir untersuchten, was mit den terrestrischen Planeten in unserem eigenen System vor sich geht“, sagt Triaud.

Venus, Erde und Mars haben Ähnlichkeiten darin, dass alle drei felsig sind und in einer relativ gemäßigten Region im Verhältnis zur Sonne leben. Die Erde ist der einzige Planet im Trio, der derzeit flüssiges Wasser beherbergt. Und das Team stellte einen weiteren offensichtlichen Unterschied fest: Die Erde hat deutlich weniger Kohlendioxid in ihrer Atmosphäre.

„Wir gehen davon aus, dass diese Planeten auf ähnliche Weise entstanden sind, und wenn wir jetzt einen Planeten mit viel weniger Kohlenstoff sehen, muss er irgendwohin gegangen sein“, sagt Triaud. „Der einzige Prozess, der einer Atmosphäre so viel Kohlenstoff entziehen könnte, ist ein starker Wasserkreislauf, an dem Ozeane mit flüssigem Wasser beteiligt sind.“

Tatsächlich haben die Ozeane der Erde eine wichtige und nachhaltige Rolle bei der Aufnahme von Kohlendioxid gespielt. Im Laufe von Hunderten von Millionen Jahren haben die Ozeane eine riesige Menge Kohlendioxid aufgenommen, die fast der Menge entspricht, die heute in der Atmosphäre der Venus verbleibt. Dieser planetarische Effekt hat dazu geführt, dass die Erdatmosphäre im Vergleich zu ihren Nachbarn auf dem Planeten deutlich weniger Kohlendioxid enthält.

„Auf der Erde wurde ein Großteil des atmosphärischen Kohlendioxids im Laufe geologischer Zeitskalen in Meerwasser und festem Gestein gebunden, was über Milliarden von Jahren zur Regulierung des Klimas und der Bewohnbarkeit beigetragen hat“, sagt Co-Autor der Studie, Frieder Klein.

Das Team kam zu dem Schluss, dass die Feststellung eines ähnlichen Kohlendioxidabbaus auf einem weit entfernten Planeten im Vergleich zu seinen Nachbarn ein zuverlässiges Signal für flüssige Ozeane und Leben auf seiner Oberfläche wäre.

„Nachdem wir die Literatur aus vielen Bereichen von der Biologie über die Chemie bis hin zur Kohlenstoffsequestrierung im Zusammenhang mit dem Klimawandel ausführlich durchgesehen haben, glauben wir, dass, wenn wir eine Kohlenstoffverarmung feststellen, dies tatsächlich ein starkes Zeichen für flüssiges Wasser sein kann.“ /oder das Leben“, sagt de Wit.

Eine Roadmap zum Leben

In ihrer Studie entwirft das Team eine Strategie zur Erkennung bewohnbarer Planeten durch die Suche nach einer Signatur für abgereichertes Kohlendioxid. Eine solche Suche würde am besten für „Erbsen-in-einer-Schote“-Systeme funktionieren, in denen mehrere terrestrische Planeten, alle etwa gleich groß, relativ nahe beieinander kreisen, ähnlich wie unser eigenes Sonnensystem. Der erste Schritt, den das Team vorschlägt, besteht darin, zu bestätigen, dass die Planeten Atmosphären haben, indem einfach nach dem Vorhandensein von Kohlendioxid gesucht wird, von dem erwartet wird, dass es in den meisten Planetenatmosphären vorherrscht.

„Kohlendioxid ist ein sehr starker Absorber im Infrarotbereich und lässt sich leicht in der Atmosphäre von Exoplaneten nachweisen“, erklärt de Wit. „Ein Kohlendioxidsignal kann dann das Vorhandensein von Exoplanetenatmosphären aufdecken.“

Sobald Astronomen feststellen, dass mehrere Planeten in einem System Atmosphären beherbergen, können sie mit der Messung ihres Kohlendioxidgehalts fortfahren, um festzustellen, ob ein Planet deutlich weniger Kohlendioxid enthält als die anderen. Wenn ja, ist der Planet wahrscheinlich bewohnbar, was bedeutet, dass er auf seiner Oberfläche erhebliche Mengen flüssigen Wassers beherbergt.

Bewohnbare Bedingungen bedeuten jedoch nicht unbedingt, dass ein Planet bewohnt ist. Um herauszufinden, ob es tatsächlich Leben gibt, schlägt das Team vor, dass Astronomen nach einem anderen Merkmal in der Atmosphäre eines Planeten suchen: Ozon.

Auf der Erde stellen die Forscher fest, dass Pflanzen und einige Mikroben zur Kohlendioxidbindung beitragen, wenn auch nicht annähernd so viel wie die Ozeane. Dennoch geben die Lebensformen im Rahmen dieses Prozesses Sauerstoff ab, der mit den Photonen der Sonne reagiert und sich in Ozon umwandelt – ein Molekül, das viel einfacher zu erkennen ist als Sauerstoff selbst.

Die Forscher sagen, wenn die Atmosphäre eines Planeten Anzeichen von Ozon und abgereichertem Kohlendioxid aufweist, handelt es sich wahrscheinlich um eine bewohnbare Welt.

„Wenn wir Ozon sehen, ist die Wahrscheinlichkeit ziemlich hoch, dass es mit dem Kohlendioxidverbrauch des Lebens zusammenhängt“, sagt Triaud. „Und wenn es Leben ist, dann ist es herrliches Leben. Es wären nicht nur ein paar Bakterien. Es wäre eine Biomasse im Planetenmaßstab, die in der Lage ist, eine große Menge Kohlenstoff zu verarbeiten und mit ihm zu interagieren.“

Das Team schätzt, dass das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA Kohlendioxid und möglicherweise Ozon in nahe gelegenen Multiplanetensystemen wie TRAPPIST-1 messen könnte – einem System mit sieben Planeten, das einen hellen Stern umkreist, nur 40 Lichtjahre von der Erde entfernt.

„TRAPPIST-1 ist eines der wenigen Systeme, bei denen wir mit JWST terrestrische Atmosphärenstudien durchführen konnten“, sagt de Wit. „Jetzt haben wir einen Fahrplan für die Suche nach bewohnbaren Planeten. Wenn wir alle zusammenarbeiten, könnten in den nächsten Jahren bahnbrechende Entdeckungen gemacht werden.“