Ist es Leben oder nur die Illusion von Leben? Eine Forschungsarbeit des Virtual Planetary Laboratory der University of Washington wird Astronomen helfen, bei der Suche nach Leben jenseits der Erde falsch positive Ergebnisse besser zu identifizieren und dadurch auszuschließen. Die Arbeit wurde am 26. Februar 2016 in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Leistungsfähige Instrumente wie das James Webb Space Telescope, dessen Start für 2018 geplant ist, könnten Astronomen dabei unterstützen, auf einer Handvoll weit entfernter Welten nach Leben zu suchen, indem sie in ihren Atmosphären (neben anderen Dingen) Hinweise auf Sauerstoff aufspüren, einer “Biosignatur”. Dies wird mit Hilfe der Transitspektroskopie erreicht, bei der die spektralen Eigenschaften von Licht untersucht werden, wenn es die Atmosphäre eines Planeten passiert, während selbiger vor seinem Zentralstern vorbeizieht.
“Wir wollten feststellen, ob wir etwas beobachten konnten, das diese falsch positiven Ergebnisse bei Exoplaneten verraten kann”, sagte der Hauptautor Edward Schwieterman, ein Doktorand in Astronomie. “In der Abhandlung bezeichnen wir sie als ‘Biosignatur-Vortäuscher’. Die potenzielle Entdeckung von Leben jenseits unseres Sonnensystems hat so bedeutende Auswirkungen, dass wir wirklich sicher sein müssen, es richtig gemacht zu haben. Wenn wir das Licht von diesen Exoplaneten interpretieren, müssen wir genau wissen, wonach wir suchen und was uns täuschen könnte.”
Hier auf der Erde wird Sauerstoff fast ausschließlich durch die Photosynthese produziert: Pflanzen und Algen wandeln die Sonnenstrahlung in Energie um, um sich am Leben zu halten. Daher ist die Sauerstoff-Biosignatur der Erde tatsächlich ein Beleg für Leben. Aber das mag vielleicht nicht immer gelten.
Frühere Forschungen am Virtual Planetary Laboratory haben ergeben, dass manche Welten Sauerstoff abiotisch produzieren können – das heißt ohne lebende Organismen. Das ist wahrscheinlicher der Fall bei Planeten, die massearme Sterne umkreisen, welche kleiner und schwächer als unsere Sonne sind und den häufigsten Sterntyp im Universum darstellen.
Die erste von den Wissenschaftlern identifizierte abiotische Möglichkeit tritt ein, wenn ultraviolettes Licht des Sterns Kohlenstoffdioxidmoleküle (CO2) spaltet und sich einige der freien Sauerstoffatome zu Sauerstoffmolekülen (O2) zusammenfinden – das ist die Art Sauerstoff, die in der Erdatmosphäre vorhanden ist.
Der Fingerzeig, dass diese besondere Sauerstoff-Biosignatur nicht auf Leben hindeutet, kam, als die Forscher mittels Computermodellen feststellten, dass der Prozess nicht nur Sauerstoff produziert, sondern auch signifikante und potenziell nachweisbare Mengen an Kohlenstoffmonoxid. “Wenn wir also Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid zusammen in der Atmosphäre eines Gesteinsplaneten sehen würden, würden wir es als sehr suspekt betrachten, dass ein zukünftiger Nachweis von Sauerstoff auf Leben hindeutet”, sagte Schwieterman.
Das Team fand auch einen Indikator für abiotischen Sauerstoff, der aus der Spaltung von atmosphärischem Wasser (H2O) durch das Sternlicht hervorgeht, wobei der Wasserstoff entweicht und große Mengen Sauerstoff zurücklässt – weit mehr als die Erde jemals in ihrer Atmosphäre besaß. In solchen Fällen kollidieren Sauerstoffmoleküle häufig miteinander und erzeugen kurzlebige Paare aus Sauerstoffmolekülen, die zu O4-Molekülen werden und ihre eigene einzigartige Signatur besitzen.
“Bestimmte Eigenschaften von O4-Molekülen sind möglicherweise durch die Transitspektroskopie nachweisbar, und viele andere könnten in reflektiertem Licht beobachtet werden”, sagte Schwieterman. “Die Beobachtung einer starken O4-Signatur könnte darauf schließen lassen, dass diese Atmosphäre viel zu viel Sauerstoff enthält, um einen biologischen Ursprung zu haben. Mit diesen Strategien können wir uns schneller auf lohnenswertere Ziele konzentrieren, die echte Sauerstoff-Biosignaturen besitzen könnten.”
“Es ist eine Sache, ein Biosignaturgas nachzuweisen, aber eine andere ist es, interpretieren zu können, was man sieht”, sagte Victoria Meadows, Astronomie-Professorin an der University of Washington und leitende Wissenschaftlerin des Virtual Planetary Laboratory. “Diese Forschung ist wichtig, weil ‘Biosignatur-Vortäuscher’ häufiger auf Planeten vorkommen könnten, die massearme Sterne umkreisen. Diese Sterne werden die ersten Orte sein, an denen wir in den nächsten zehn Jahren nach Leben außerhalb des Sonnensystems suchen werden.”
Die anderen Co-Autoren von der University of Washington sind Professor Rory Barnes und die Doktoranden Giada Arney und Rodrigo Luger. Außerdem wirkten Shawn Domagal-Goldman vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland), Drake Deming von der University of Maryland und Chester Harman vom Center for Exoplanets and Habitable Worlds der Pennsylvania State University an der Studie mit. Die Forschungsarbeit wurde vom Astrobiology Institute der NASA finanziert.
Abhandlung: “Identifying Planetary Biosignature Impostors: Spectral Features of CO and O4 Resulting from Abiotic O2/O3 Production” auf arxiv.org
(THK)
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