Leben könnte am einfachsten auf Planeten zu finden sein, die einer früheren Erde ähneln

Wir kommen der zuverlässigen Erkennung von Biosignaturen auf fernen Planeten immer näher. Ein Großteil des Fokus liegt auf der Bestimmung, welche Chemikalien auf das Vorhandensein von Leben hinweisen.

Aber Leben kann in einem System auch freie Energie erzeugen, und überschüssige Energie kann zu einem chemischen Ungleichgewicht führen. Das ist es, was auf der Erde geschah, als das Leben begann. Könnte ein chemisches Ungleichgewicht eine Biosignatur sein?

Wenn ein System überschüssige Energie hat, manifestiert sich dies als chemisches Gleichgewicht. Jeder Planet ist ein System und Leben kann überschüssige Energie erzeugen. Wenn wir also ein chemisches Gleichgewicht feststellen, stellen wir dann eine Biosignatur fest? Entdecken wir Leben? Vielleicht. Vor allem, wenn wir es mit einem Exoplaneten zu tun haben, der der frühen Erde sehr ähnlich ist.

Mit dieser Frage beschäftigen sich neue Forschungsergebnisse. Der Titel der Studie lautet „Ableitung chemischer Ungleichgewichts-Biosignaturen für proterozoische erdähnliche Exoplaneten.“ Hauptautorin ist Amber Young vom Department of Astronomy and Planetary Sciences der Northern Arizona University. Der Artikel ist auf dem Preprint-Server zu finden arXiv.

„Beim Versuch abzuleiten, ob eine ferne Welt bewohnt ist, ist ein chemisches Ungleichgewicht ein potenzieller Indikator für Leben, das seit langem in der Planetenumgebung des Sonnensystems untersucht wird“, schreiben die Autoren in ihrer Arbeit.

Wenn in einer Atmosphäre sowohl Methan (CH4) als auch Sauerstoff (O2) vorhanden sind, ist das ein Hinweis darauf, dass Leben am Werk ist. Das liegt daran, dass Methan in einer Sauerstoffumgebung nur etwa 10 Jahre haltbar ist. Sein Vorhandensein weist auf ein Ungleichgewicht hin. Damit es vorhanden ist, muss es ständig in Mengen nachgefüllt werden, die nur das Leben produzieren kann.

Das Gibbs-Konzept der freien Energie versucht, diese Idee zu erfassen. Wenn ein System ein chemisches Gleichgewicht erreicht, wird das thermodynamische Potenzial minimiert. Je weiter ein System vom chemischen Gleichgewicht entfernt ist, desto mehr freie Gibbs-Energie ist vorhanden.

„Eine primäre Metrik zur Quantifizierung des chemischen Ungleichgewichts besteht in der Berechnung der Differenz der chemischen Energie, die mit einem beobachteten System und dem theoretischen Gleichgewichtszustand dieses Systems verbunden ist“, erklären die Autoren. Forscher erforschen, wie sie die freie Gibbs-Energie nutzen können, um Welten in unserem Sonnensystem zu verstehen. Noch wichtiger ist, dass Forscher daran arbeiten, zu verstehen, wie es auf die Erdgeschichte angewendet werden kann.

Diese Forschung konzentriert sich auf das Proterozoikum, das dritte von vier Äonen der Erde. Sie reichte von vor 2,5 Milliarden Jahren bis vor 541 Millionen Jahren und umfasst zwei entscheidende Ereignisse in der Erdgeschichte. Freier Sauerstoff erscheint in der Erdatmosphäre zu Beginn des Proterozoikums, und das Proterozoikum endet kurz vor der Entstehung komplexen Lebens.

Der Stolperstein bei der Verwendung der Gibbs-Metrik als Biosignatur besteht darin, dass wir nicht wissen, welche Beobachtungsunsicherheiten bestehen, wenn wir versuchen, sie auf erdähnlichen Exoplaneten zu verstehen. In dieser Forschung bedeutet erdähnlich „eine ozeanhaltige, erdgroße Welt mit erdähnlichen Oberflächendrücken und -temperaturen und einer Atmosphäre, die von N2, H2O und CO2 mit Spuren von CH4 und unterschiedlichen O2-Gehalten dominiert wird.“ erklären die Autoren.

Wissenschaftler wissen einiges über die Erde im Proterozoikum, obwohl es natürlich noch viele unbeantwortete Fragen gibt. Um einige der Beobachtungsunsicherheiten zu verstehen, modellierten die Forscher zwei verschiedene Szenarien für die Erde und eines für den Mars.

Jedes Szenario enthält eine unterschiedliche Menge an freier atmosphärischer Energie. Anschließend untersuchten sie, wie die Atmosphären jedes dieser simulierten Planeten Licht in verschiedenen Szenarien reflektieren würden: Gase mit hoher, mittlerer und niedriger Biosignatur in der Atmosphäre.

Das Ergebnis waren Lichtspektren, die wir in den Atmosphären von Exoplaneten beobachten könnten und die drei verschiedene Fälle für die proterozoische Erde nachahmen.

„Die Beschränkung der verfügbaren freien Gibbs-Energie ist eine vielversprechende Charakterisierungsstrategie, die gut mit etablierten Techniken zur Biosignaturgasdetektion harmoniert“, schließen die Autoren. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, benötigen wir jedoch bessere Teleskope mit einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Und diese sind hoffentlich unterwegs.

„Für ein Weltraumteleskop der 6-m-Klasse mit Rauscheigenschaften nach dem Vorbild des LUVOIR-B-Konzepts könnten die hier untersuchten Fälle mit hohem SNR für ein erdähnliches Ziel um einen Sonnenwirt in Entfernungen von 5–7 pc (16 to) erreicht werden 23 Lichtjahre) mit einem Aufwand von zwei bis vier Wochen Beobachtungszeit“, erklären die Autoren.

Auch wenn das nach viel Beobachtungszeit klingt, entspricht es den erwarteten Zielbeobachtungszeiten mit dem HabEx-Teleskopkonzept. Und ein potenzieller erdähnlicher Exoplanet aus dem Proterozoikum ist ein wertvolles Ziel, das so viel Beobachtungszeit verdient. Gibt es noch etwas, das Weltraumteleskope priorisieren sollten? Unwahrscheinlich.

„Aus Beobachtungssicht ist die Charakterisierung der CH4- und O2-Häufigkeiten von entscheidender Bedeutung, um auf das atmosphärische chemische Ungleichgewichtssignal der Analoga der Erde über den größten Teil ihrer Evolutionsgeschichte schließen zu können“, schreiben die Autoren.

Obwohl wir dazu neigen, alles, was wir um uns herum sehen, zu normalisieren, ist der aktuelle Zustand der Erde kaum „normal“. Die Erde war während des größten Teils ihrer Geschichte ganz anders. Es ist sinnvoll, nach Planeten zu suchen, die der Erde im Proterozoikum ähneln.

Das Proterozoikum dauerte zwei Milliarden Jahre und das Leben prägte während des gesamten Zeitraums aktiv seine Atmosphäre. Wenn wir das Glück haben, jemals einen anderen lebenserhaltenden Exoplaneten zu entdecken, dann wird er durch reinen Zufall wahrscheinlich eher der Erde des Proterozoikums als der modernen Erde ähneln.