Die beste Hoffnung, Leben auf einer anderen Welt zu finden, besteht nicht darin, auf verschlüsselte Nachrichten zu achten oder zu fernen Sternen zu reisen, sondern darin, die chemischen Zeichen von Leben in der Atmosphäre von Exoplaneten zu entdecken. Es wird oft angenommen, dass dieser lang ersehnte Erfolg unsere derzeitigen Observatorien übersteigt, aber eine neue Studie argumentiert, dass das James Webb Space Telescope (JWST) ihn schaffen könnte.
Die meisten der bisher von uns entdeckten Exoplaneten wurden mit der Transitmethode gefunden. Aus unserer Sicht zieht hier ein Planet vor seinem Stern vorbei. Auch wenn wir den Planeten nicht direkt beobachten können, können wir sehen, wie die Helligkeit des Sterns um den Bruchteil eines Prozents abnimmt. Wenn wir Sterne im Laufe der Zeit beobachten, können wir ein regelmäßiges Muster von Helligkeitsabfällen feststellen, die auf die Anwesenheit eines Planeten hinweisen.
Die Helligkeit des Sterns nimmt ab, weil der Planet einen Teil des Sternenlichts blockiert. Wenn der Planet jedoch auch eine Atmosphäre hat, durchdringt eine kleine Menge Licht die Atmosphäre, bevor es uns erreicht. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre werden bestimmte Wellenlängen absorbiert und bilden Absorptionsspektren innerhalb der Spektren des Sternenlichts. Da wir Atome und Moleküle schon seit langem anhand ihrer Absorptions- und Emissionsspektren identifizieren können, können wir im Prinzip mit der Transitmethode die Zusammensetzung der Atmosphäre eines Planeten bestimmen.
Obwohl die Idee einfach ist, ist es schwierig, sie in die Praxis umzusetzen. Zum einen ist Sternenlicht nicht nur ein stetiger Lichtstrom. Es gibt Fackeln, Sternflecken und andere Turbulenzen, die Rauschen im Signal verursachen. Aus diesem Grund ist es schon schwierig, Einbrüche in der Planetenhelligkeit zu erkennen. Und während ein Planet weniger als ein Prozent des Lichts blockiert, ist die Menge an Sternenlicht, die durch die Atmosphäre eines Exoplaneten dringt, wirklich winzig. Um atmosphärische Spektren zu erfassen, wären mehrere Transite mit äußerst detaillierten Spektrenbeobachtungen erforderlich.
Wir haben dies bei einigen Exoplaneten getan, beispielsweise beim Nachweis des Vorhandenseins von Wasser und organischen Verbindungen, aber dies wurde bei großen Gasplaneten mit dicken Atmosphären durchgeführt. Mit felsigen, erdähnlichen Welten ist uns das nicht gelungen. Dafür sind unsere Teleskope einfach nicht empfindlich genug. Aber diese neue Studie, verfügbar auf der arXiv Der Pre-Print-Server zeigt, dass das JWST bestimmte chemische Biosignaturen abhängig von ihrer Häufigkeit in der Atmosphäre erkennen konnte.
Das Team simulierte atmosphärische Bedingungen für fünf große Arten erdähnlicher Welten: eine Ozeanwelt, eine vulkanisch aktive Welt, eine felsige Welt während der Zeit der starken Bombardierung, eine Supererde und eine erdähnliche Welt, als das Leben entstand. Sie gingen davon aus, dass alle diese Welten einen Oberflächendruck von weniger als fünf Erdatmosphären hatten, und berechneten die Absorptionsspektren für mehrere organisch erzeugte Moleküle wie Methan, Ammoniak und Kohlenmonoxid. Diese Moleküle können auch durch nichtbiologische Methoden gebildet werden, sie bilden jedoch eine gute Grundlage für den Machbarkeitsnachweis.
Sie fanden heraus, dass das JWST, insbesondere sein NIRSpec G395M/H-Instrument, bei einer einigermaßen dicken Atmosphäre das Vorhandensein dieser Moleküle innerhalb von 10 Transiten um den Planeten bestätigen konnte. Am einfachsten wäre dies bei Supererden und anderen Welten mit einer dichten Atmosphäre, bei potenziell bewohnbaren Welten ist dies jedoch immer noch möglich.
Angesichts der Anzahl der benötigten Transite wäre unsere beste Chance, Biosignaturen mit JWST zu erkennen, die nahe umlaufenden Welten roter Zwergsterne, wie zum Beispiel das Trappist-1-System, das mehrere potenziell bewohnbare erdgroße Planeten enthält. Angesichts der Überschneidungen zwischen biologischen und nichtbiologischen Ursprüngen reichen JWST-Beobachtungen möglicherweise nicht aus, um die Existenz von Leben zu bestätigen, aber diese Studie zeigt, dass wir dieser Fähigkeit sehr nahe sind.
Mehr Informationen:
Alastair Claringbold et al, Prebiosignature Molecules Can Be Detected in Temperate Exoplanet Atmospheres with JWST, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2306.02897