Forscher suchen nach Lebenszeichen in der Atmosphäre von Exoplaneten

Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die nächste Generation fortschrittlicher Teleskope die Suche nach potenziellem außerirdischem Leben intensivieren könnte, indem sie die Atmosphären nahegelegener Exoplaneten genau unter die Lupe nimmt.

Veröffentlicht vor kurzem in Das Astronomische JournalIn einem Artikel wird detailliert beschrieben, wie ein Team von Astronomen der Ohio State University die Fähigkeit künftiger Teleskope untersuchte, chemische Spuren von Sauerstoff, Kohlendioxid, Methan und Wasser auf zehn felsigen Exoplaneten nachzuweisen. Diese Elemente sind Biosignaturen, die auch in der Erdatmosphäre vorkommen und wichtige wissenschaftliche Beweise für Leben liefern können.

Die Studie ergab, dass diese Teleskope für ein Paar dieser nahegelegenen Welten, Proxima Centauri b und GJ 887 b, sehr gut darin sind, das Vorhandensein potenzieller Biosignaturen zu erkennen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Maschinen nur bei Proxima Centauri b in der Lage wären, Kohlendioxid zu erkennen, wenn es vorhanden wäre. Obwohl noch kein Exoplanet gefunden wurde, der genau den frühen Lebensbedingungen der Erde entspricht, deutet diese Arbeit darauf hin, dass solche einzigartigen Supererden – Planeten, die massereicher als die Erde, aber kleiner als Neptun sind – bei genauerer Untersuchung ein geeignetes Ziel für zukünftige Forschungsmissionen sein könnten.

Um die Suche nach bewohnbaren Planeten voranzutreiben, versuchten Huihao Zhang, Hauptautor der Studie und Senior in Astronomie an der Ohio State, und seine Kollegen auch, die Wirksamkeit spezieller Bildgebungsinstrumente wie des James Webb Space Telescope (JWST) und anderer Extreme zu bestimmen Große Teleskope (ELTs) wie das European Extremely Large Telescope, das Thirty-Meter-Teleskop und das Giant Magellan Telescope zur direkten Abbildung von Exoplaneten.

„Nicht jeder Planet ist für direkte Aufnahmen geeignet, aber deshalb geben uns Simulationen eine ungefähre Vorstellung davon, was die ELTs geliefert hätten und welche Versprechen sie bei ihrer Errichtung versprechen sollen“, sagte Zhang.

Die direkte Methode zur Abbildung von Exoplaneten besteht darin, einen Koronographen oder einen Sternenschirm zu verwenden, um das Licht eines Wirtssterns zu blockieren, sodass Wissenschaftler ein schwaches Bild der neuen Welt im Orbit aufnehmen können. Da es jedoch schwierig und zeitaufwändig sein kann, sie auf diese Weise zu lokalisieren, wollten die Forscher herausfinden, wie gut die ELT-Teleskope diese Herausforderung meistern könnten.

Zu diesem Zweck testeten sie die Fähigkeit der Instrumente jedes Teleskops, universelles Hintergrundrauschen von dem Planetenrauschen zu unterscheiden, das sie bei der Erkennung von Biosignaturen erfassen wollten. Das sogenannte Signal-Rausch-Verhältnis: Je höher es ist, desto leichter lässt sich die Wellenlänge eines Planeten erkennen und analysieren.

Die Ergebnisse zeigten, dass der direkte Bildgebungsmodus eines der Instrumente des europäischen ELT, genannt Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph, bei drei Planeten (GJ 887 b, Proxima b und Wolf 1061 c) bei der Erkennung des Vorhandenseins von Methan und Kohlenstoff besser abschnitt Kohlendioxid und Wasser, während sein monolithisches optisches Nahinfrarot-Integralfeldspektrographeninstrument mit hoher Winkelauflösung Methan, Kohlendioxid, Sauerstoff und Wasser nachweisen konnte, aber viel mehr Belichtungszeit benötigte.

Da diese Schlussfolgerungen außerdem Instrumente betrafen, die durch den chemischen Nebel der Erdatmosphäre blicken müssen, um die Suche nach kosmischem Leben voranzutreiben, wurden sie mit den aktuellen Fähigkeiten des JWST im Weltraum verglichen, sagte Zhang.

„Es ist schwer zu sagen, ob Weltraumteleskope besser sind als bodengestützte Teleskope, weil sie anders sind“, sagte er. „Sie haben unterschiedliche Umgebungen, unterschiedliche Orte und ihre Beobachtungen haben unterschiedliche Einflüsse.“

In diesem Fall zeigten die Ergebnisse, dass GJ 887 b zwar eines der am besten geeigneten Ziele für ELT-Direktaufnahmen ist, da seine Lage und Größe für einige Transitplaneten wie TRAPPIST-1 zu einem besonders hohen Signal-Rausch-Verhältnis führen Systems sind die JWST-Techniken zur Untersuchung der Planetenatmosphären für deren Erkennung besser geeignet als die direkte Bildgebung von den ELTs auf der Erde.

Aber weil die Studie bei den Daten von einer konservativeren Annahme ausgegangen sei, könne die tatsächliche Wirksamkeit zukünftiger astronomischer Werkzeuge die Wissenschaftler immer noch überraschen, sagte Zhang. Abgesehen von subtilen Leistungskontrasten dienen diese leistungsstarken Technologien dazu, unser Verständnis des Universums zu erweitern und sollen sich gegenseitig ergänzen, sagte Ji Wang, Co-Autor der Studie und Assistenzprofessor für Astronomie an der Ohio State. Deshalb seien Studien wie diese notwendig, die die Grenzen dieser Technologien bewerten, sagte er.

„Die Bedeutung der Simulation, insbesondere für Missionen, die Milliarden von Dollar kosten, kann nicht genug betont werden“, sagte Wang. „Die Leute müssen nicht nur die Hardware bauen, sie geben sich auch große Mühe, die Leistung zu simulieren und darauf vorbereitet zu sein, diese großartigen Ergebnisse zu erzielen.“

Da die ELTs aller Wahrscheinlichkeit nach erst gegen Ende des Jahrzehnts fertiggestellt sein werden, werden sich die nächsten Schritte der Forscher darauf konzentrieren, zu simulieren, wie gut zukünftige ELT-Instrumente bei der Untersuchung der Feinheiten der weit verbreiteten Lebensnachweise auf unserem eigenen Planeten geeignet sein werden.

„Wir wollen sehen, inwieweit wir unsere Atmosphäre bis ins kleinste Detail untersuchen und wie viele Informationen wir daraus extrahieren können“, sagte Wang. „Denn wenn wir Fragen zur Bewohnbarkeit nicht mit der Erdatmosphäre beantworten können, gibt es keine Möglichkeit, diese Fragen auch auf anderen Planeten zu beantworten.“