Exoplaneten sind in unserer Galaxie weit verbreitet und einige umkreisen ihren Stern sogar in der sogenannten bewohnbaren Zone. Das James Webb-Weltraumteleskop der NASA hat einige dieser kleinen, möglicherweise bewohnbaren Planeten beobachtet, und Astronomen arbeiten derzeit intensiv an der Analyse der Webb-Daten. Wir laden Dr. Knicole Colón und Dr. Christopher Stark, zwei Webb-Projektwissenschaftler am Goddard Space Flight Center der NASA, ein, uns mehr über die Herausforderungen bei der Erforschung dieser anderen Welten zu erzählen:
„Ein potenziell bewohnbarer Planet wird oft als ein Planet von ähnlicher Größe wie die Erde definiert, der in der ‚bewohnbaren Zone‘ seines Sterns kreist, einem Ort, an dem der Planet eine Temperatur haben könnte, bei der flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche existieren könnte. Wir kennen derzeit etwa 30 Planeten, die kleine, felsige Planeten wie die Erde sein könnten und in der bewohnbaren Zone kreisen. Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass ein Planet, der in der bewohnbaren Zone kreist, tatsächlich bewohnbar ist (er könnte Leben unterstützen), geschweige denn bewohnt (er unterstützt derzeit Leben). Zum Zeitpunkt des Schreibens ist nur ein bewohnbarer und bewohnter Planet bekannt – die Erde.
„Bei den potenziell bewohnbaren Welten, die Webb beobachtet, handelt es sich allesamt um Transit-Exoplaneten, das heißt, sie umkreisen die Planeten fast von der Kante her, sodass sie vor ihren Muttersternen vorbeiziehen. Webb nutzt diese Orientierung, um Transmissionsspektroskopie durchzuführen, wenn der Planet vor seinem Stern vorbeizieht. Diese Orientierung ermöglicht es uns, das durch die Atmosphären der Planeten gefilterte Sternenlicht zu untersuchen, um mehr über ihre chemische Zusammensetzung zu erfahren.
„Allerdings ist die Menge des Sternenlichts, die von der dünnen Atmosphäre eines kleinen Gesteinsplaneten blockiert wird, winzig, normalerweise viel kleiner als 0,02 %. Schon allein das Erkennen einer Atmosphäre um diese kleinen Welten ist eine große Herausforderung. Das Erkennen des Vorhandenseins von Wasserdampf, der die Möglichkeit der Bewohnbarkeit erhöhen könnte, ist sogar noch schwieriger. Die Suche nach Biosignaturen (biologisch erzeugten Gasen) ist außerordentlich schwierig, aber auch ein spannendes Unterfangen.
Wenn ein Exoplanet direkt zwischen seinem Mutterstern und dem Beobachter vorbeizieht, sagen wir, dass der Planet vor seinem Mutterstern vorbeizieht. Dieser Transit schwächt das Licht des Sterns um einen messbaren Betrag ab, und das Sternenlicht wird auch durch die Atmosphäre des Exoplaneten gefiltert, falls er eine hat. Diese Animation zeigt einen einzelnen Planeten und die entsprechende Veränderung der Lichtstärke während des Transits. Bildnachweis: Jet Propulsion Laboratory der NASA
„Derzeit gibt es nur eine Handvoll kleiner, potenziell bewohnbarer Welten, die für eine atmosphärische Charakterisierung mit Webb als zugänglich gelten, darunter die Planeten LHS 1140 b und TRAPPIST-1 e.
„Einige neuere theoretische Arbeiten zur Erkennbarkeit von Gasmolekülen in der Atmosphäre des Super-Erde-Planeten LHS 1140 b heben mehrere Herausforderungen bei der Suche nach Biosignaturen hervor. Die Arbeit stellt fest, dass etwa 10–50 Transite des Planeten um seinen Mutterstern, was 40–200 Stunden Beobachtungszeit mit Webb entspricht, erforderlich wären, um im besten Fall einer klaren, wolkenfreien Atmosphäre eine Erkennung potenzieller Biosignaturen wie Ammoniak, Phosphin, Chlormethan und Lachgas zu versuchen.
„Da Webb das System LHS 1140 aufgrund seiner Position am Himmel nicht das ganze Jahr über beobachten kann, würde es mehrere Jahre, wenn nicht sogar fast ein Jahrzehnt dauern, um 50 Transitbeobachtungen von LHS 1140 b zu sammeln. Die Suche nach Biosignaturen kann sogar mehr als 50 Transitbeobachtungen erfordern, wenn die Atmosphäre des Planeten bewölkt ist. Die meisten kleinen Exoplaneten sind dafür bekannt, dass sie Wolken oder Dunst aufweisen, die das gesuchte Signal dämpfen oder verdecken. Die atmosphärischen Signale dieser Biosignaturgase neigen auch dazu, sich mit anderen erwarteten atmosphärischen Signalen zu überschneiden (z. B. aufgrund von gasförmigem Methan oder Kohlendioxid), sodass die Unterscheidung zwischen den verschiedenen Signalen eine weitere Herausforderung darstellt.
„Ein möglicher Ansatz bei der Suche nach Biosignaturen ist die Untersuchung von Hycea-Planeten, einer theoretischen Klasse von Planeten in der Größe einer Supererde mit einer relativ dünnen wasserstoffreichen Atmosphäre und einem beträchtlichen Ozean aus flüssigem Wasser. Die Supererde K2-18 b ist ein Kandidat für einen potenziell bewohnbaren Hycea-Planeten, basierend auf aktuellen Daten von Webb und anderen Observatorien.
„In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit wurden NIRSpec und NIRISS verwendet, um Methan und Kohlendioxid in der Atmosphäre von K2-18 b nachzuweisen, jedoch kein Wasser. Dies bedeutet, dass die Annahme, dass K2-18 b eine hyceische Welt mit einem Ozean aus flüssigem Wasser ist, weiterhin auf theoretischen Modellen beruht und es bisher keine direkten Beobachtungsbeweise gibt. Die Autoren der Arbeit deuteten auch auf das mögliche Vorhandensein der potenziellen Biosignatur Dimethylsulfid in der Atmosphäre von K2-18 b hin, aber das potenzielle Dimethylsulfidsignal ist in den aktuellen Daten für eine schlüssige Erkennung zu schwach.
„Das Konzept und die Erforschung der Klasse der Hycea-Planeten ist sehr neu, so dass alternative Interpretationen des Szenarios eines Ozeans mit flüssigem Wasser (und damit des Potenzials einer bewohnbaren Umgebung) noch immer untersucht werden. Kommende Webb-Beobachtungen mit den Instrumenten NIRSpec und MIRI sollten weiteres Licht auf die Natur des potenziellen Hycea-Planeten K2-18 b und das mögliche Vorhandensein von Dimethylsulfid in seiner Atmosphäre werfen.
„Ein weiterer Störfaktor, der Webbs Studie kleiner, potenziell bewohnbarer Welten zu einer Herausforderung macht, ist, dass die Wirtssterne ebenfalls Anzeichen von Wasserdampf aufweisen können. Dies wurde in jüngsten Webb-Beobachtungen des felsigen Exoplaneten GJ 486 b untersucht. Wir stehen daher vor der zusätzlichen Herausforderung, festzustellen, ob der von Webb nachgewiesene Wasserdampf tatsächlich aus der Atmosphäre eines Planeten und nicht von seinem Stern stammt.
„Die Entdeckung von Biosignaturen in den Atmosphären kleiner, möglicherweise bewohnbarer Transitplaneten, die kühle Sterne umkreisen, ist ein äußerst anspruchsvolles Unterfangen. Normalerweise sind ideale Bedingungen (z. B. wolkenfreie Atmosphären) oder die Annahme früher Erdumgebungen (d. h. anders als die moderne Erde, wie wir sie kennen) erforderlich. Darüber hinaus müssen Signale von deutlich weniger als 200 ppm entdeckt werden, ein wohlerzogener Stern ohne nennenswerten Wasserdampf in Sternflecken und eine beträchtliche Menge an Teleskopzeit erforderlich sein, um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen.
„Es ist auch wichtig, im Auge zu behalten, dass die Entdeckung einer einzelnen Biosignatur auf irgendeine Weise nicht die Entdeckung von Leben bedeutet. Die Entdeckung von Leben auf einem Exoplaneten wird wahrscheinlich eine große Menge eindeutig nachgewiesener Biosignaturen, Daten von mehreren Missionen und Observatorien sowie umfangreiche atmosphärische Modellierungsbemühungen erfordern, ein Prozess, der wahrscheinlich Jahre dauern wird.
„Die Stärke von Webb besteht darin, dass es empfindlich genug ist, um die Atmosphären einiger der vielversprechendsten, potenziell bewohnbaren Planeten, die kühle Sterne umkreisen, zu erkennen und zu charakterisieren. Webb hat insbesondere die Fähigkeit, eine Reihe von Molekülen zu erkennen, die für das Leben wichtig sind, wie Wasserdampf, Methan und Kohlendioxid. Unser Ziel ist es, so viel wie möglich über Welten zu erfahren, die möglicherweise bewohnbar sind, auch wenn wir mit Webb keine eindeutigen Signaturen für Bewohnbarkeit identifizieren können.
„Webb-Beobachtungen werden zusammen mit Exoplanetenstudien durch NASAs kommendes Nancy Grace Roman Space Telescope letztlich den Grundstein für das zukünftige Habitable Worlds Observatory legen, die erste Mission der NASA, die speziell dafür gebaut wird, chemische Spuren, die von Leben auf erdähnlichen Planeten um sonnenähnliche Sterne verursacht werden, direkt abzubilden und danach zu suchen.“