Metallarme Sterne sind lebensfreundlicher, schlägt eine Studie vor

Sterne, die vergleichsweise viele schwere Elemente enthalten, bieten ungünstigere Bedingungen für die Entstehung von komplexem Leben als metallarme Sterne, wie Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für Sonnensystemforschung und für Chemie sowie der Universität Göttingen jetzt herausgefunden haben .

Das Team zeigte, wie die Metallizität eines Sterns mit der Fähigkeit seiner Planeten zusammenhängt, sich mit einer schützenden Ozonschicht zu umgeben. Ausschlaggebend dafür ist die Intensität des ultravioletten Lichts, das der Stern in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ins All abgibt. Die Studie liefert Wissenschaftlern, die mit Weltraumteleskopen den Himmel nach bewohnbaren Sternensystemen absuchen, wichtige Hinweise darauf, wo dieses Unterfangen besonders vielversprechend sein könnte.

Es legt auch eine überraschende Schlussfolgerung nahe: Mit zunehmendem Alter des Universums wird es zunehmend unfreundlicher gegenüber der Entstehung von komplexem Leben auf neuen Planeten.

Auf der Suche nach bewohnbaren oder gar bewohnten Planeten, die ferne Sterne umkreisen, haben sich Forscher in den vergangenen Jahren verstärkt auf die Gashüllen dieser Welten konzentriert. Zeigen Beobachtungsdaten Hinweise auf eine Atmosphäre? Enthält er vielleicht sogar Gase wie Sauerstoff oder Methan, die auf der Erde fast ausschließlich als Stoffwechselprodukte von Lebewesen entstehen?

In den nächsten Jahren werden solche Beobachtungen an neue Grenzen stoßen: Das James-Webb-Teleskop der Nasa wird es ermöglichen, nicht nur die Atmosphären großer Gasriesen wie Super-Neptune zu charakterisieren, sondern auch erstmals die viel schwächeren spektrographischen Signale zu analysieren aus Gesteinsplanetenatmosphären.

Mit Hilfe numerischer Simulationen konnte die aktuelle Studie, die in veröffentlicht wurde Naturkommunikation wendet sich heute dem Ozongehalt von Exoplanetenatmosphären zu. Wie auf der Erde kann diese Verbindung aus drei Sauerstoffatomen die Oberfläche des Planeten (und die darauf lebenden Lebensformen) vor zellschädigender ultravioletter (UV) Strahlung schützen.

Eine schützende Ozonschicht ist somit eine wichtige Voraussetzung für die Entstehung komplexen Lebens. „Wir wollten verstehen, welche Eigenschaften ein Stern haben muss, damit seine Planeten eine schützende Ozonschicht bilden“, erklärt Anna Shapiro, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und Erstautorin der aktuellen Studie, die Grundidee.

Wie so oft in der Wissenschaft wurde diese Idee durch eine frühere Erkenntnis ausgelöst. Vor drei Jahren hatten Forscher unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung die Helligkeitsschwankungen der Sonne mit denen hunderter sonnenähnlicher Sterne verglichen. Die Folge: Die Intensität des sichtbaren Lichts vieler dieser Sterne schwankt viel stärker als bei der Sonne. „Wir haben riesige Intensitätsspitzen gesehen“, sagt Alexander Shapiro, der sowohl an den Analysen von vor drei Jahren als auch an der aktuellen Studie beteiligt war.

„Es ist also gut möglich, dass auch die Sonne zu solchen Intensitätsspitzen fähig ist. Dann würde auch die Intensität des ultravioletten Lichts dramatisch zunehmen“, fügt er hinzu. „Daher haben wir uns natürlich gefragt, was das für das Leben auf der Erde bedeuten würde und wie die Situation in anderen Sternensystemen aussieht“, sagt Sami Solanki, Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und Co-Autor beider Studien.

Doppelrolle der UV-Strahlung

An der Oberfläche von etwa der Hälfte aller Sterne, die nachweislich von Exoplaneten umkreist werden, liegen die Temperaturen zwischen etwa 5.000 und etwa 6.000 Grad Celsius. Bei ihren Berechnungen wandten sich die Forscher daher dieser Untergruppe zu. Mit einer Oberflächentemperatur von etwa 5500 Grad Celsius gehört auch die Sonne dazu. „In der Atmosphärenchemie der Erde spielt die ultraviolette Strahlung der Sonne eine doppelte Rolle“, erklärt Anna Shapiro, deren früheres Forschungsinteresse sich auf den Einfluss der Sonnenstrahlung auf die Erdatmosphäre konzentrierte.

Bei Reaktionen mit einzelnen Sauerstoffatomen und Sauerstoffmolekülen kann Ozon sowohl entstehen als auch zerstört werden. Während langwellige UV-B-Strahlung Ozon zerstört, trägt kurzwellige UV-C-Strahlung zur Bildung von schützendem Ozon in der mittleren Atmosphäre bei. „Daher lag die Vermutung nahe, dass auch ultraviolettes Licht einen ähnlich komplexen Einfluss auf die Atmosphäre von Exoplaneten haben könnte“, ergänzt der Astronom. Die genauen Wellenlängen sind entscheidend.

Die Forscher berechneten daher genau, aus welchen Wellenlängen das von den Sternen ausgestrahlte ultraviolette Licht besteht. Erstmals berücksichtigten sie auch den Einfluss der Metallizität. Diese Eigenschaft beschreibt das Verhältnis von Wasserstoff zu schwereren Elementen (von Astrophysikern vereinfachend und etwas irreführend „Metalle“ genannt) im Baumaterial des Sterns. Bei der Sonne kommen auf jedes Eisenatom mehr als 31000 Wasserstoffatome. Die Studie berücksichtigte auch Sterne mit niedrigerem und höherem Eisengehalt.

Simulierte Wechselwirkungen von UV-Strahlung mit Gasen

In einem zweiten Schritt untersuchte das Team, wie sich die berechnete UV-Strahlung auf die Atmosphären von Planeten auswirkt, die in lebensfreundlicher Entfernung um diese Sterne kreisen. Lebensfreundliche Entfernungen sind solche, die moderate Temperaturen – weder zu heiß noch zu kalt für flüssiges Wasser – an der Oberfläche des Planeten zulassen. Für solche Welten simulierte das Team am Computer genau, welche Prozesse das charakteristische UV-Licht des Muttersterns in der Atmosphäre des Planeten in Gang setzt.

Um die Zusammensetzung von Planetenatmosphären zu berechnen, verwendeten die Forscher ein Chemie-Klima-Modell, das die Prozesse, die Sauerstoff, Ozon und viele andere Gase kontrollieren, und ihre Wechselwirkungen mit ultraviolettem Licht von Sternen mit sehr hoher spektraler Auflösung simuliert. Dieses Modell ermöglichte die Untersuchung verschiedenster Zustände auf Exoplaneten und den Vergleich mit der Geschichte der Erdatmosphäre in den letzten halben Milliarden Jahren.

Während dieser Zeit wurden der hohe Luftsauerstoffgehalt und die Ozonschicht geschaffen, die die Entwicklung des Lebens an Land auf unserem Planeten ermöglichten. „Es ist denkbar, dass die Geschichte der Erde und ihrer Atmosphäre Hinweise auf die Evolution des Lebens gibt, die auch auf Exoplaneten zutreffen könnten“, sagt Jos Lelieveld, Geschäftsführender Direktor des Max-Planck-Instituts für Chemie, der an der Studie beteiligt war.

Vielversprechende Kandidaten

Die Ergebnisse der Simulationen waren für die Wissenschaftler überraschend. Insgesamt geben metallarme Sterne mehr UV-Strahlung ab als ihre metallreichen Gegenstücke. Aber auch das Verhältnis von ozonerzeugender UV-C-Strahlung zu ozonzerstörender UV-B-Strahlung hängt entscheidend von der Metallizität ab: In metallarmen Sternen überwiegt die UV-C-Strahlung, wodurch sich eine dichte Ozonschicht bilden kann. Bei metallreichen Sternen mit ihrer überwiegenden UV-B-Strahlung ist diese Schutzhülle deutlich spärlicher.

„Entgegen den Erwartungen sollten metallarme Sterne daher günstigere Bedingungen für die Entstehung von Leben bieten“, schlussfolgert Anna Shapiro. Diese Erkenntnis könnte für zukünftige Weltraummissionen wie die Plato-Mission der Esa hilfreich sein, die eine Vielzahl von Sternen durchkämmen wird nach Anzeichen bewohnbarer Exoplaneten. Mit 26 Teleskopen an Bord soll die gleichnamige Sonde 2026 ins All starten und ihr Augenmerk vor allem auf erdähnliche Planeten richten, die sonnenähnliche Sterne in lebensfreundlichen Entfernungen umkreisen.

Das Rechenzentrum der Mission wird derzeit am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung aufgebaut. „Unsere aktuelle Studie gibt uns wertvolle Hinweise, auf welche Sterne Platon besonders achten sollte“, sagt Laurent Gizon, Geschäftsführer des Instituts und Mitautor der aktuellen Studie.

Paradoxe Schlussfolgerung

Darüber hinaus kommt die Studie zu einer fast paradoxen Schlussfolgerung: Mit zunehmendem Alter des Universums wird es wahrscheinlich immer lebensfeindlicher werden. Metalle und andere schwere Elemente werden im Innern von Sternen am Ende ihres mehrere Milliarden Jahre langen Lebens gebildet und – je nach Masse des Sterns – als Sternwind oder bei einer Supernova-Explosion ins All geschleudert: der Baustoff für die nächste Generation von Sternen.

„Jeder neu entstehende Stern hat daher mehr metallreiches Baumaterial zur Verfügung als seine Vorgänger. Sterne im Universum werden mit jeder Generation metallreicher“, sagt Anna Shapiro. Der neuen Studie zufolge sinkt also auch die Wahrscheinlichkeit, dass Sternensysteme Leben produzieren, wenn das Universum altert. Die Suche nach Leben ist jedoch nicht hoffnungslos. Schließlich haben viele Wirtssterne von Exoplaneten ein ähnliches Alter wie die Sonne. Und dieser Stern ist tatsächlich dafür bekannt, auf mindestens einem seiner Planeten komplexe und interessante Lebensformen zu beherbergen.