Teleskope der nächsten Generation könnten direkt nach intelligenten Zivilisationen suchen

Wir sind noch in den frühen Tagen der Suche nach Leben anderswo. Der Perseverance-Rover ist auf dem Weg zu einem Paläo-Delta auf dem Mars, um nach versteinerten Anzeichen uralten Bakterienlebens zu suchen. SETI hat den Himmel mit Funkschüsseln beobachtet und nach Signalen von fernen Welten gelauscht. Unsere Teleskope beginnen damit, die Atmosphären entfernter Exoplaneten nach Biosignaturen zu durchsuchen.

Bald werden wir bei der Suche einen weiteren Schritt nach vorne machen, wenn neue, leistungsstarke Teleskope beginnen, nicht nur nach Leben, sondern auch nach anderen Zivilisationen zu suchen.

Die Suche nach Biosignaturen gewinnt an Dynamik. Wenn wir atmosphärische Hinweise auf Leben auf einem anderen Planeten oder Mond finden können – Dinge wie Methan und Lachgas und eine Vielzahl anderer chemischer Verbindungen –, dann können wir uns fragen, ob Lebewesen sie produziert haben. Aber die Suche nach Technosignaturen erhöht das Niveau des Spiels. Nur eine technologische Zivilisation kann Technosignaturen erzeugen.

Technosignaturen sind einfach die Auswirkungen von Technologie auf eine Umgebung. Licht aus riesigen Städten, bestimmte atmosphärische Chemikalien und sogar Satelliten, die einen Planeten umkreisen, sind allesamt Technosignaturen. Der Urvater aller Technosignaturen ist wahrscheinlich die Dyson-Sphäre. Eine Dyson-Kugel ist eine hypothetische Megastruktur, die einen Stern umgibt und seine Sonnenenergie einfängt. Die Idee dahinter ist, dass mit dem Wachstum einer Zivilisation ihr Energiebedarf steigt und der einzige Weg, die benötigte Energie zu sammeln, darin besteht, ihren Stern mit einer energiesammelnden Sphäre zu umgeben.

Im Jahr 2021 veröffentlichten die National Academies of Sciences ihre Dekadische Umfrage zu Astronomie und Astrophysik 2020 mit dem Namen Astro2020. Sie veröffentlichen alle 10 Jahre eine, und jede Umfrage skizziert die kritischen Herausforderungen in der Astrophysik und Astronomie für das nächste Jahrzehnt. Astro2020 enthält mehrere Empfehlungen, die die Suche nach Technosignaturen vorantreiben können. Eine NASA-Arbeitsgruppe hat ein Whitepaper veröffentlicht, das sich mit dem Technosignatur-Teil von Astro2020 befasst.

Das Papier trägt den Titel „Opportunities for Technosignature Science in the Astro2020 Report“. Es stammt von Nexus for Exoplanet System Science (NExSS). NExSS ist eine multidisziplinäre Gruppe, die Geowissenschaftler, Planetenwissenschaftler, Heliophysiker und Astrophysiker umfasst. Sie bringen einen kollaborativen und synthetisierten Ansatz für die Suche nach Biosignaturen und Technosignaturen ein.

„Technosignaturen beziehen sich auf alle beobachtbaren Manifestationen außerirdischer Technologie, und die Suche nach Technosignaturen ist Teil des Kontinuums der astrobiologischen Suche nach Biosignaturen“, heißt es in dem Papier. „Die Suche nach Technosignaturen ist direkt relevant für das Thema ‚Welt und Sonnen im Kontext‘ und das Programm ‚Pathways to Habitable Worlds‘ im Astro2020-Bericht.“

Das Whitepaper zielt darauf ab, „… die Relevanz der Technosignatur-Wissenschaft für ein breites Spektrum von Missionen zu demonstrieren …“ Die NExSS-Gruppe fordert die größere Wissenschaftsgemeinschaft auf, die Suche nach Technosignaturen in das Design und die Implementierung von Projekten wie LUVOIR, ELTs, Infrarot usw. einzubeziehen Röntgenobservatorien und andere ähnliche Einrichtungen.

LUVOIR (Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor) ist ein NASA-Teleskopkonzept in zwei vorgeschlagenen Größen. LUVOIR-A ist ein 15-Meter-Spiegeldesign und LUVOIR-B ist ein Acht-Meter-Design. Dank seiner Multi-Wellenlängen-Fähigkeit ist es ein leistungsstarkes und vielseitiges Design mit vielen Anwendungen. Es würde sich auf L2 befinden, wäre aber wie das Hubble wartungsfähig.

ASTRO2020 konzentriert sich auf den Biosignatur-Aspekt von LUVOIR bei der Suche nach bewohnbaren Planeten, erwähnt aber ein paar Mal Technosignaturen. Die Autoren dieses neuen Whitepapers weisen darauf hin, dass LUVOIR ein effektives Werkzeug bei der Suche nach Technosignaturen wäre. „Industrielle Verschmutzung stellt eine Klasse von atmosphärischen Bestandteilen auf der Erde dar, die möglicherweise Technosignaturen sein könnten, wenn sie in den Spektren eines Exoplaneten beobachtet werden“, schreiben sie. „Ein Beispiel ist Stickstoffdioxid (NO2), das auf der Erde große Verbrennungsquellen hat, die größer sind als nicht-anthropogene Quellen.“

NO2 ist eine gute Fallstudie in Erkennungsszenarien. Erhöhte NO2-Werte in der Atmosphäre eines Planeten können auf industrielle Aktivität hinweisen. Aber es gibt auch natürliche Quellen, und jeder Nachweis müsste im Falle falsch positiver Ergebnisse sorgfältig untersucht werden. Dies ist das gleiche Problem bei der Erkennung von Biosignaturen: Sie müssen eindeutig sein. Aber ob ein Signal falsch positiv ist oder nicht, es muss zuerst erkannt werden.

Die Autoren des Weißbuchs glauben, dass LUVOIR NO2 nachweisen kann, und um ihre Argumente zu untermauern, zitieren sie frühere Studien, die zeigen, dass LUVOIR erfolgreich NO2 in der Atmosphäre von Exoplaneten nachweisen konnte. „Eine Studie von Kopparapu et al. (2021) zeigte, dass die Absorptionsmerkmale von NO2 … mit dem Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor nachweisbar sein könnten. Kopparapu et al. (2021) fanden heraus, dass ein 15-m-LUVOIR-ähnliches Teleskop Erd- wie NO2-Werte für einen Planeten um einen sonnenähnlichen Stern bei 10 PC (~33 Lichtjahre) mit ~400 Stunden Beobachtung.“

Das Whitepaper geht auch darauf ein, wie LUVOIR gezieltere Technosignaturen wie Lasersignale und optische Beacons erkennen könnte. „Optische Leuchtfeuer könnten ein kostengünstiges Mittel zur direkten Kommunikation zwischen exoplanetaren Systemen darstellen, die durch schnelle Nanosekunden-Impulse codiert und übertragen werden könnten“, heißt es in dem Papier. LUVOIR könnte auch dabei helfen, indem es „… Beschränkungen für die Verbreitung optischer Beacons und anderer gepulster Lasersignale“ auferlegt.

Die Autoren koppeln die Erkennung optischer Leuchtfeuer mit der Erkennung und Charakterisierung bewohnbarer Gesteinsplaneten und sagen, dass LUVOIR ein leistungsfähiges Werkzeug für diese Erkennungen ist. „Weltraummissionen wie das IR/O/UV-Teleskop könnten Erkennbarkeitsbeschränkungen für die Verbreitung optischer Leuchtfeuer in exoplanetaren Systemen darstellen“, schreiben sie. „… relativ leistungsschwache optische Baken könnten mit dem IR/O/UV-Teleskop für die meisten oder alle Ziele nachweisbar sein, wo auch die Charakterisierung von Gesteinsplaneten innerhalb der HZ möglich ist.“

Auch Extremely Large Telescopes (ELTs) können bei der Suche nach Technosignaturen eine Rolle spielen. Ein ELT ist ein Teleskop mit einem Hauptspiegel, der größer als etwa acht Meter ist. Acht Meter sind eine Konstruktionsbeschränkung, da größere Teleskopspiegel schwer sind und sich selbst verformen. ELTs umgehen diese physikalische Einschränkung mit segmentierten Spiegeln. Das European Extremely Large Telescope (E-ELT) ist das bekannteste Beispiel für ein ELT und soll 2027 das erste Licht sehen, aber das Whitepaper erwähnt explizit zwei weitere ELTs.

Das eine ist das Giant Magellan Telescope (GMT) und das andere das Thirty Meter Telescope (TMT). Zusammen werden die ELTs, die im nächsten Jahrzehnt das erste Licht sehen, leistungsstarke Motoren sein, um wissenschaftliche Ziele voranzutreiben. Das Whitepaper erweitert die Rolle von ELTs bei der Jagd nach Technosignaturen.

„GMT und TMT sind laufende Projekte, die sich seit vielen Jahren entwickeln“, heißt es in dem Papier. „Diese bodengestützten Einrichtungen könnten in der Lage sein, die Atmosphären von terrestrischen Planeten zu charakterisieren, die von Missionen wie TESS und CHEOPS bei optischen und nahen Infrarotwellenlängen entdeckt wurden.“

Rote Zwerge sind die am weitesten verbreitete Art von Sternen, aber ihr Licht ist schwächer, was sie zu schwierigeren Zielen macht. Das GMT und das TMT sollen in der Lage sein, die Atmosphären von Exoplaneten um Rote Zwerge herum zu untersuchen. „Mögliche spektrale Technosignaturen wie Luftverschmutzung und optische Leuchtfeuer … könnten ebenfalls durch Beobachtungen von exoplanetaren Systemen durch ELTs eingeschränkt werden.“

Das Whitepaper spricht auch über Sonden für fernes Infrarot (FIR). Es gibt Lücken in unseren Beobachtungsmöglichkeiten, und FIR-Sonden sind eine dieser Lücken. Sie müssen weltraumgestützte Einrichtungen sein, um effektiv zu sein, und sie könnten eine entscheidende Rolle bei der Suche nach Technosignaturen spielen. „… der erwähnte Wellenlängenbereich ist spannend für das sogenannte Artefakt SETI, dessen bekanntestes Beispiel Dyson-Sphären sind, die von Olaf Stapledon konzipierten und von ihrem Namensgeber Freeman Dyson formalisierten Megastrukturen zur Energiegewinnung.“

1960 veröffentlichte Dyson seine Abhandlung „Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation“. Wie der Titel deutlich macht, ist IR-Strahlung der Schlüssel zum Nachweis dieser Art von Megastruktur. Eine Dyson-Kugel würde eine enorme Energiemenge ernten, eine fast unvorstellbare Menge, und der Prozess würde zweifellos etwas Abwärme produzieren. Eine FIR-Sonde kann die Abwärme aufgrund der beteiligten Wellenlängen möglicherweise nicht erkennen, aber sie könnte andere FIR-Quellen ausschließen und die Suche rationalisieren. „Allerdings würde eine Dyson-Kugel im Gegensatz zu Staub normalerweise nicht viel Ferninfrarot-Emission aufweisen. Daher bieten Ferninfrarot-Fähigkeiten eine Möglichkeit, das Problem von Störfaktoren wie protoplanetaren Scheiben erheblich zu reduzieren.“

Infrarotsonden können auch bestimmte Chemikalien in Exoplanetenatmosphären erkennen, die starke Hinweise auf industrielle Aktivitäten sind. Chlorfluorkohlenstoffe sind eine Klasse von Chemikalien. „… keiner der heute betriebenen abiotischen oder biologischen (aber nicht technologischen) Wege kann zu Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) führen“, heißt es in dem Weißbuch. Die Autoren sagen, dass IR-Spektroskopie FCKW nachweisen könnte, die Zehntausende von Jahren in einer Atmosphäre bestehen können. Das James-Webb-Weltraumteleskop kann in einigen Fällen FCKW nachweisen, hat aber noch viele andere Aufgaben.

Tiefer im Weißbuch werden die Dinge ein wenig trübe. Röntgensonden könnten Technosignaturen erkennen, aber die Autoren sagen, dass das Thema weitere Untersuchungen rechtfertigt. Sie sagen, Röntgenstrahlen seien „… kein vielversprechender ‚Bote‘ für künstliche Signale von ETIs, da letztere üblicherweise mit Radiowellenlängen (und optischen Wellenlängen) in Verbindung gebracht werden.“ Aber Röntgenstrahlen sind immer noch faszinierend, weil eine fortgeschrittene Zivilisation sie auf neuartige Weise nutzen könnte, um Signale zu erzeugen.

„Wenn ein kilometergroßer Stein auf die Oberfläche eines Neutronensterns geschleudert würde, könnte dies zu einem intensiven Röntgenpuls von ~1029 W führen, der in der gesamten Milchstraße nachweisbar sein könnte.“ Das mag weit hergeholt klingen, aber wer weiß? Sie sagen auch, dass eine fortgeschrittene Zivilisation ihre Technologie nutzen könnte, um bestehende Röntgenquellen wie Röntgenbinärdateien zu modulieren, um Signale zu senden.

Das Whitepaper behandelt auch Radioastronomie, den kosmischen Mikrowellenhintergrund und Pulsar-Timing. Laut den Autoren kann jede davon Teil unserer Suche nach Technosignaturen sein.

Dieses Whitepaper ist ein wissenschaftliches Plädoyer. Der ASTRO2020-Bericht verbannt die Suche nach Technosignaturen in die Anhänge des Berichts, und die Autoren des Weißbuchs hoffen, ihre Bekanntheit zu erhöhen.

„Technosignatur-Beobachtungen können häufig zusammen mit anderen Beobachtungen durchgeführt werden, und viele Technosignatur-Suchen können durchgeführt werden, ohne die empfohlene Missionsarchitektur zu ändern“, schreiben die Autoren in der Schlussfolgerung des Whitepapers.

Sie weisen darauf hin, dass die Einbeziehung der Suche nach Technosignaturen keine zusätzlichen Kosten verursachen würde und dass die Möglichkeit, Technosignaturen zu finden, zu wichtig ist, um sie zu ignorieren.

„Dieses Whitepaper empfiehlt, dass alle oben besprochenen Missionen und Einrichtungen die Suche nach Technosignaturen als Teil des explizit genannten Science Case in Betracht ziehen sollten.“