Methan könnte der erste nachweisbare Hinweis auf Leben außerhalb der Erde sein

Wenn Leben im Universum reichlich vorhanden ist, könnte atmosphärisches Methan das erste Anzeichen von Leben außerhalb der Erde sein, das von Astronomen entdeckt werden kann. Obwohl nichtbiologische Prozesse Methan erzeugen können, legt eine neue Studie von Wissenschaftlern der UC Santa Cruz eine Reihe von Umständen fest, unter denen ein überzeugendes Argument für biologische Aktivität als Quelle von Methan in der Atmosphäre eines felsigen Planeten angeführt werden könnte.

Dies ist besonders bemerkenswert, da Methan eines der wenigen potenziellen Lebenszeichen oder „Biosignaturen“ ist, die mit dem James-Webb-Weltraumteleskop, das später in diesem Jahr mit Beobachtungen beginnen wird, leicht nachweisbar sein könnten.

„Sauerstoff wird oft als eine der besten Biosignaturen bezeichnet, aber mit JWST wird es wahrscheinlich schwer zu erkennen sein“, sagte Maggie Thompson, Doktorandin in Astronomie und Astrophysik an der UC Santa Cruz und Hauptautorin der neuen Studie.

Trotz einiger früherer Studien zu Methan-Biosignaturen gab es keine aktuelle, dedizierte Bewertung der planetaren Bedingungen, die erforderlich sind, damit Methan eine gute Biosignatur ist. „Wir wollten einen Rahmen für die Interpretation von Beobachtungen schaffen, damit wir, wenn wir einen Gesteinsplaneten mit Methan sehen, wissen, welche anderen Beobachtungen erforderlich sind, damit es sich um eine überzeugende Biosignatur handelt“, sagte Thompson.

Veröffentlicht am 28. März in Proceedings of the National Academy of Sciencesuntersucht die Studie eine Vielzahl nichtbiologischer Methanquellen und bewertet ihr Potenzial zur Aufrechterhaltung einer methanreichen Atmosphäre. Dazu gehören Vulkane; Reaktionen in Umgebungen wie mittelozeanischen Rücken, hydrothermalen Quellen und tektonischen Subduktionszonen; und Kometen- oder Asteroideneinschläge.

Methan als Biosignatur spricht für seine Instabilität in der Atmosphäre. Da photochemische Reaktionen atmosphärisches Methan zerstören, muss es ständig wieder aufgefüllt werden, um ein hohes Niveau aufrechtzuerhalten.

„Wenn Sie auf einem felsigen Planeten viel Methan entdecken, brauchen Sie normalerweise eine massive Quelle, um das zu erklären“, sagte Co-Autor Joshua Krissansen-Totton, ein Sagan Fellow an der UCSC. „Wir wissen, dass biologische Aktivität große Mengen Methan auf der Erde erzeugt, und wahrscheinlich auch auf der frühen Erde, weil die Herstellung von Methan metabolisch ziemlich einfach ist.“

Nichtbiologische Quellen wären jedoch nicht in der Lage, so viel Methan zu produzieren, ohne auch beobachtbare Hinweise auf seine Herkunft zu liefern. Das Ausgasen von Vulkanen beispielsweise würde der Atmosphäre sowohl Methan als auch Kohlenmonoxid hinzufügen, während biologische Aktivitäten dazu neigen, Kohlenmonoxid leicht zu verbrauchen. Die Forscher fanden heraus, dass nichtbiologische Prozesse nicht einfach bewohnbare Planetenatmosphären erzeugen können, die sowohl reich an Methan als auch an Kohlendioxid und mit wenig bis gar keinem Kohlenmonoxid sind.

Die Studie betont die Notwendigkeit, bei der Bewertung potenzieller Biosignaturen den gesamten planetarischen Kontext zu berücksichtigen. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass atmosphärisches Methan für einen felsigen Planeten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist, eher als starker Hinweis auf Leben angesehen wird, wenn die Atmosphäre auch Kohlendioxid enthält, Methan häufiger vorkommt als Kohlenmonoxid und extrem wasserreich ist Planetenzusammensetzungen können ausgeschlossen werden.

„Ein Molekül wird Ihnen keine Antwort geben – Sie müssen den gesamten Kontext des Planeten berücksichtigen“, sagte Thompson. „Methan ist ein Teil des Puzzles, aber um festzustellen, ob es Leben auf einem Planeten gibt, muss man seine Geochemie berücksichtigen, wie es mit seinem Stern interagiert und die vielen Prozesse, die die Atmosphäre eines Planeten auf geologischen Zeitskalen beeinflussen können.“

Die Studie berücksichtigt eine Vielzahl von Möglichkeiten für „Falsch-Positive“ und stellt Richtlinien für die Bewertung von Methan-Biosignaturen bereit.

„Es gibt zwei Dinge, die schief gehen können – Sie könnten etwas als Biosignatur falsch interpretieren und ein falsches Positiv erhalten, oder Sie könnten etwas übersehen, das eine echte Biosignatur ist“, sagte Krissansen-Totton. „Mit diesem Papier wollten wir einen Rahmen entwickeln, um diese beiden potenziellen Fehler mit Methan zu vermeiden.“

Er fügte hinzu, dass noch viel zu tun sei, um zukünftige Methandetektionen vollständig zu verstehen. „Diese Studie konzentriert sich auf die offensichtlichsten Fehlalarme für Methan als Biosignatur“, sagte er. „Die Atmosphären felsiger Exoplaneten werden uns wahrscheinlich überraschen, und wir müssen bei unseren Interpretationen vorsichtig sein. Zukünftige Arbeiten sollten versuchen, ungewöhnlichere Mechanismen für die nichtbiologische Methanproduktion vorherzusehen und zu quantifizieren.“

Neben Thompson und Krissansen-Totton gehören zu den Co-Autoren des Artikels Jonathan Fortney, Professor für Astronomie und Astrophysik an der UCSC, Myriam Telus, Assistenzprofessorin für Erd- und Planetenwissenschaften an der UCSC, und Nicholas Wogan von der University of Washington, Seattle.