Beobachtungen des Stickstoffs in der Erdatmosphäre mit einer 27 Millionen Kilometer von der Erde entfernten NASA-Sonde geben Astronomen neue Hinweise darauf, wie sich das Gas auf weit entfernten Planeten selbst verraten und dadurch die Suche nach Leben unterstützen könnte.
Stickstoff in der Atmosphäre eines Exoplaneten (einem Planeten außerhalb unseres Sonnensystems) zu finden und zu messen, kann entscheidend für die Überprüfung sein, ob diese Welt bewohnbar sein könnte. Der Grund dafür ist, dass Stickstoff Anhaltspunkte über den Druck an der Planetenoberfläche liefern kann. Wenn in der Atmosphäre eines Planeten viel Stickstoff vorhanden ist, besitzt diese Welt fast sicher den richtigen Druck, um flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche stabil zu halten. Flüssiges Wasser ist eine der Grundvoraussetzungen für Leben.
Sollte auf einem Exoplaneten tatsächlich Leben existieren, könnte der Nachweis von Stickstoff und Sauerstoff den Astronomen helfen, den biologischen Ursprung des Sauerstoffs zu bestätigen, indem bestimmte Wege ausgeschlossen werden, wie Sauerstoff abiotisch produziert werden kann (also durch andere Ursachen als Leben).
Das Problem ist, dass Stickstoff aus der Entfernung schwer zu entdecken ist. Er wird oft als „unsichtbares Gas“ bezeichnet, weil er kaum lichtverändernde Eigenschaften bei sichtbarem oder infraroten Licht zeigt, die ihn leicht nachweisbar machen lassen würden. Die beste Möglichkeit, um Stickstoff in einer entfernten Atmosphäre zu registrieren, ist die Messung von Stickstoffmolekülen, die miteinander kollidieren. Die resultierenden, kurzlebigen „Kollisionspaare“ produzieren eine einzigartige und erkennbare spektroskopische Signatur.
Eine am 28. August 2015 im Astrophysical Journal veröffentlichte Abhandlung zeigt, dass ein zukünftiges, großes Teleskop mit den richtigen Instrumenten diese ungewöhnliche Signatur in den Atmosphären von Gesteinsplaneten aufspüren könnte. Die Autoren der Abhandlung sind der Doktorand Edward Schwieterman und die Astronomieprofessorin Victoria Meadows von der University of Washington sowie andere Co-Autoren.
Die Wissenschaftler nutzten dreidimensionale Planetenmodelldaten am Virtual Planetary Laboratory der University of Washington, um zu simulieren, wie die Signatur der Stickstoffmolekül-Kollisionen in der Erdatmosphäre erscheinen würde. Diese simulierten Daten verglichen sie mit echten Erdbeobachtungen der unbemannten NASA-Raumsonde Deep Impact, die im Jahr 2005 gestartet wurde. Meadows ist die leitende Forscherin am Virtual Planetary Laboratory.
Die Raumsonde führte eine erweiterte Mission namens EPOXI durch, welche die Beobachtung und Charakterisierung der Erde auf eine Weise umfasste, als wäre sie ein Exoplanet. Durch den Vergleich der echten Daten der EPOXI-Mission mit den simulierten Daten aus den Modellen am Virtual Planetary Laboratory waren die Autoren in der Lage, die Signaturen der Stickstoffmolekül-Kollisionen in unserer eigenen Atmosphäre zu bestätigen und zu sagen, dass sie für einen entfernten Beobachter sichtbar sein würden.
„Eine der wichtigsten Botschaften des Virtual Planetary Laboratory ist, dass man immer eine Bestätigung für eine Theorie braucht – einen Machbarkeitsnachweis -, bevor man unser Wissen auf die Untersuchung eines potenziell erdähnlichen Exoplaneten anwenden kann“, sagte Schwieterman. „Deshalb ist die Untersuchung der Erde als ein Exoplanet so wichtig: Wir konnten bestätigen, dass Stickstoff einen Einfluss auf das Spektrum unseres eigenen Planeten hat, so wie er von einer entfernten Raumsonde gesehen wird. Dadurch wissen wir, dass es sinnvoll ist, anderswo danach zu suchen.“
Diese Bestätigung in der Hand, nutzten die Forscher eine Reihe von Modellen am Virtual Planetary Laboratory, die das Aussehen von Planeten jenseits des Sonnensystems simulierten, die unterschiedliche Stickstoffkonzentrationen in ihren Atmosphären enthielten. Der Nachweis von Stickstoff werde den Astronomen helfen, die Atmosphären potenziell habitabler Planeten zu charakterisieren und die Wahrscheinlichkeit der Sauerstoffproduktion durch abiotische Prozesse zu bestimmen, schreiben die Autoren.
„Eines der interessanten Ergebnisse aus unserer Studie ist, dass man im Grunde genommen bestätigt hat, dass der Oberflächendruck für flüssiges Wasser ausreicht, wenn man insgesamt genügend Stickstoff registriert. Das gilt für ein breites Spektrum an Oberflächentemperaturen“, sagte Schwieterman.
Schwietermans und Meadows‘ Co-Autor von der University of Washington ist Amit Misra, der kürzlich sein Doktorat in Astronomie abschloss. Andere Co-Autoren sind Tyler Robinson vom Ames Research Center der NASA in Moffett Field (Kalifornien), der seinen Doktortitel an der University of Washington erhielt, sowie Shawn Domagal-Goldman vom Goddard Space Flight Center der NASA, der an der University of Washington zum Postdoktoranden ernannt wurde.
Die Forschungsarbeit wurde vom Astrobiology Institute der NASA finanziert.
(THK)
Antworten