Eine neue Methode zum Nachweis von Sauerstoff auf Exoplaneten

Künstlerische Darstellungen von Exoplaneten mit Wasser (oben) und ohne Wasser (unten) auf ihren Oberflächen und mit sauerstoffreichen Atmosphären. Der rötliche Punkt ist der Zwergstern des M-Typs, den die Planeten umkreisen. Der trockene Planet liegt näher an seinem Heimatstern, so dass er größer erscheint. (Credits: NASA / GSFC / Friedlander-Griswold)
Künstlerische Darstellungen von Exoplaneten mit Wasser (oben) und ohne Wasser (unten) auf ihren Oberflächen und mit sauerstoffreichen Atmosphären. Der rötliche Punkt ist der Zwergstern des M-Typs, den die Planeten umkreisen. Der trockene Planet liegt näher an seinem Heimatstern, so dass er größer erscheint. (Credits: NASA / GSFC / Friedlander-Griswold)

Wissenschaftler haben eine neue Methode zum Nachweis von Sauerstoff in exoplanetaren Atmosphären entwickelt, welche die Suche nach Leben beschleunigen könnte. Ein möglicher Hinweis auf Leben oder Biosignaturen ist die Präsenz von Sauerstoff in der Atmosphäre eines Exoplaneten. Sauerstoff wird auf der Erde durch Leben erzeugt, wenn Organismen wie Pflanzen, Algen und Cyanobakterien die Photosynthese nutzen, um Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln.

Die University of California in Riverside half bei der Entwicklung der neuen Technik, die das James Webb Space Telescope der NASA verwenden wird, um ein starkes Signal zu registrieren, das Sauerstoffmoleküle produzieren, wenn sie miteinander kollidieren. Dieses Signal könnte Wissenschaftlern helfen, zwischen belebten und unbelebten Planeten zu unterscheiden.

Exoplaneten umkreisen nicht unsere Sonne, sondern andere Sterne. Weil sie so weit entfernt sind, können Wissenschaftler nicht nach Anzeichen für Leben suchen, indem sie diese fernen Welten vor Ort erforschen. Stattdessen müssen sie ein modernes Teleskop wie das James Webb Space Telescope nutzen, um zu sehen, was sich in den Atmosphären von Exoplaneten befindet.

“Vor unserer Arbeit vermutete man, dass Sauerstoff in ähnlichen Konzentrationen wie auf der Erde mit dem James Webb Space Telescope nicht registriert werden kann”, sagte Thomas Fauchez vom Goddard Space Flight Center der NASA und Hauptautor der Studie. “Dieses Sauerstoffsignal ist seit den frühen 1980er Jahren aus Untersuchungen der Erdatmosphäre bekannt, aber wurde bei Untersuchungen von Exoplaneten nie erforscht.”

Der Astrobiologe Edward Schwieterman von der UC Riverside erdachte ursprünglich eine ähnliche Möglichkeit für den Nachweis hoher Sauerstoffkonzentrationen aus abiotischen Prozessen und war ein Mitglied des Teams, das diese Technik entwickelte. Die Arbeit des Teams Arbeit wurde am 06. Januar 2020 im Journal Nature Astronomy veröffentlicht.

“Sauerstoff ist eines der am spannendsten nachzuweisenden Moleküle aufgrund seines Zusammenhangs mit Leben, aber wir wissen nicht, ob Leben der einzige Ursprung von Sauerstoff in einer Atmosphäre ist”, sagte Schwieterman. “Diese Technik wird uns erlauben, Sauerstoff sowohl in belebten als auch in unbelebten Planeten zu finden.”

Wenn Sauerstoffmoleküle miteinander kollidieren, blockieren sie Teile des infraroten Lichtspektrums, so dass die Wellenlängen von Teleskopen nicht beobachtet werden können. Durch die Untersuchung von Mustern in diesem Licht können Forscher die Zusammensetzung der planetaren Atmosphäre bestimmen. Schwieterman half dem NASA-Team bei der Berechnung, wie viel Licht durch diese Sauerstoffkollisionen blockiert werden würde. Erstaunlicherweise vermuten einige Wissenschaftler, dass Sauerstoff einen Planeten auch belebt aussehen lässt, selbst wenn es nicht so ist, weil er sich ohne jegliche biologische Aktivität in der Atmosphäre anreichern kann.

Wenn ein Exoplanet zu nah an seinem Heimatstern liegt oder zu viel Sternlicht empfängt, wird die Atmosphäre sehr warm und mit Wasserdampf aus verdampfenden Ozeanen gesättigt. Dieses Wasser könnte dann durch starke ultraviolette Strahlung in atomaren Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden. Wasserstoff als leichtes Atom entweicht in den Weltraum, so dass der Sauerstoff zurückbleibt.

Durch diesen Prozess könnten mit der Zeit ganze Ozeane verloren gehen, während sich eine dichte Sauerstoffatmosphäre aufbaut – sogar mehr als durch Leben möglich wäre. Reichlich Sauerstoff in der Atmosphäre eines Exoplaneten bedeutet daher nichts zwangsläufig viel Leben, sondern weist stattdessen auf eine Geschichte des Wasserverlusts hin. Schwieterman betonte, dass Astronomen noch nicht sicher darüber sind, wie weitverbreitet dieses Prozess auf Exoplaneten sein könnte. “Es ist wichtig zu wissen, ob und wie viele tote Planeten atmosphärischen Sauerstoff erzeugen, so dass wir besser erkennen können, wann ein Planet belebt ist oder nicht”, sagte er.

Schwieterman ist ein Postdoktorand zu Gast an der UC Riverside, der bald als Assistenzprofessor für Astrobiologie am Department of Earth and Planetary Sciences anfangen wird. Die Forschungsarbeit erhielt Fördermittel von der Sellers Exoplanet Environments Collaboration des Goddard Space Flight Center, die zum Teil vom Internal Scientist Funding Model der NASA Planetary Science Division finanziert wird. Dieses Projekt erhielt außerdem Fördermittel des Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramms der Europäischen Union im Rahmen des Marie Sklodowska-Curie Grant, des NASA Astrobiologie Institute Alternative Earths Teams und des NExSS Virtual Planetary Laboratory.

Das James Webb Space Telescope wird das Hauptweltraumobervatorium sein, wenn es im Jahr 2021 startet. Es wird Wissenschaftlern erlauben, Rätsel in unserem Sonnensystem zu lösen, ferne Welten um andere Sterne zu beobachten und die rätselhaften Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseres Platzes in ihm zu untersuchen.

Quelle

(THK)

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