Das Webb-Teleskop wird weit draußen nach Lebenszeichen suchen

Dieser Monat wird ein neues Kapitel in der Suche nach außerirdischem Leben markieren, wenn das leistungsstärkste Weltraumteleskop, das bisher gebaut wurde, beginnt, Planeten auszuspionieren, die andere Sterne umkreisen. Astronomen hoffen, dass das James-Webb-Weltraumteleskop zeigen wird, ob einige dieser Planeten Atmosphären beherbergen, die das Leben unterstützen könnten.

Die Identifizierung einer Atmosphäre in einem anderen Sonnensystem wäre bemerkenswert genug. Aber es besteht sogar eine – wenn auch winzige – Chance, dass eine dieser Atmosphären eine sogenannte Biosignatur aufweist: ein Signal des Lebens selbst.

„Ich denke, wir werden in der Lage sein, Planeten zu finden, die wir für interessant halten – Sie wissen schon, gute Möglichkeiten für Leben“, sagte Megan Mansfield, Astronomin an der University of Arizona. „Aber wir werden Leben nicht unbedingt sofort identifizieren können.“

Bisher ist die Erde der einzige Planet im Universum, auf dem Leben bekannt ist. Wissenschaftler schicken seit fast 60 Jahren Sonden zum Mars und haben noch keine Marsmenschen gefunden. Aber es ist denkbar, dass sich Leben unter der Oberfläche des Roten Planeten versteckt oder darauf wartet, auf einem Mond von Jupiter oder Saturn entdeckt zu werden. Einige Wissenschaftler haben die Hoffnung geäußert, dass sogar die Venus trotz ihrer sengenden Atmosphäre aus Schwefeldioxidwolken die Heimat von Venusianern sein könnte.

Auch wenn sich herausstellt, dass die Erde der einzige Planet ist, der Leben in unserem eigenen Sonnensystem beherbergt, gibt es in vielen anderen Sonnensystemen des Universums sogenannte Exoplaneten.

1995 entdeckten französische Astronomen den ersten Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreiste. Der als 51 Pegasi b bekannte Exoplanet entpuppte sich als wenig verheißungsvolles Zuhause fürs Leben – ein aufgeblähter Gasriese, größer als Jupiter, und wohlige 1.800 Grad Fahrenheit.

Seitdem haben Wissenschaftler mehr als 5.000 weitere Exoplaneten entdeckt. Einige von ihnen sind der Erde viel ähnlicher – etwa gleich groß, eher aus Gestein als aus Gas und umkreisen ihren Stern in einer „Goldilocks-Zone“, nicht so nah, dass sie gekocht werden, aber nicht so weit, dass sie eingefroren werden.

Leider hat die relativ geringe Größe dieser Exoplaneten ihre Untersuchung bisher äußerst schwierig gemacht. Das letzte Weihnachten gestartete James-Webb-Weltraumteleskop wird dies ändern und als Vergrößerungsglas fungieren, mit dem Astronomen diese Welten genauer betrachten können.

Seit seinem Start von Kourou, Französisch-Guayana, hat das Teleskop eine Million Meilen von der Erde entfernt und ist in seine eigene Umlaufbahn um die Sonne eingetreten. Dort schützt ein Schild seinen 21-Fuß-Spiegel vor jeglicher Hitze oder Licht von der Sonne oder der Erde. In dieser tiefen Dunkelheit kann das Teleskop schwache, entfernte Lichtschimmer erkennen, einschließlich solcher, die neue Details über weit entfernte Planeten enthüllen könnten.

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Das Weltraumteleskop „ist das erste große Weltraumobservatorium, das die Untersuchung der Atmosphäre von Exoplaneten in seinem Design berücksichtigt“, sagte Dr. Mansfield.

NASA-Ingenieure begannen Mitte Juni mit der Aufnahme von Bildern einer Reihe von Objekten mit dem Webb-Teleskop und werden ihre ersten Bilder am 12. Juli der Öffentlichkeit zugänglich machen.

Exoplaneten werden in dieser ersten Reihe von Bildern zu sehen sein, sagte Eric Smith, der leitende Wissenschaftler des Programms. Da das Teleskop relativ wenig Zeit mit der Beobachtung der Exoplaneten verbringen wird, betrachtete Dr. Smith diese ersten Bilder als einen „schnellen und schmutzigen“ Blick auf die Leistungsfähigkeit des Teleskops.

Diesen kurzen Blicken wird eine Reihe viel längerer Beobachtungen folgen, die im Juli beginnen und ein viel klareres Bild der Exoplaneten bieten.

Eine Reihe von Astronomenteams plant, die sieben Planeten zu untersuchen, die einen Stern namens Trappist-1 umkreisen. Frühere Beobachtungen deuteten darauf hin, dass drei der Planeten die bewohnbare Zone einnehmen.

„Es ist ein idealer Ort, um nach Spuren von Leben außerhalb des Sonnensystems zu suchen“, sagte Olivia Lim, eine Doktorandin an der Universität von Montreal, die etwa ab dem 4. Juli die Trappist-1-Planeten beobachten wird.

Da Trappist-1 ein kleiner, kühler Stern ist, liegt seine bewohnbare Zone näher an ihm als in unserem eigenen Sonnensystem. Infolgedessen umkreisen seine potenziell bewohnbaren Planeten den Stern aus nächster Nähe und brauchen nur wenige Tage, um den Stern zu umkreisen. Jedes Mal, wenn die Planeten vor Trappist-1 vorbeiziehen, können Wissenschaftler eine grundlegende, aber entscheidende Frage angehen: Hat einer von ihnen eine Atmosphäre?

„Wenn es keine Luft hat, ist es nicht bewohnbar, selbst wenn es sich in der bewohnbaren Zone befindet“, sagte Nikole Lewis, Astronom an der Cornell University.

Dr. Lewis und andere Astronomen wären nicht überrascht, keine Atmosphären um die Planeten von Trappist-1 herum zu finden. Selbst wenn die Planeten bei ihrer Entstehung Atmosphären entwickelt hätten, könnte der Stern sie vor langer Zeit mit Ultraviolett- und Röntgenstrahlung weggesprengt haben.

„Es ist möglich, dass sie einem Planeten einfach die gesamte Atmosphäre entziehen, bevor er überhaupt die Chance hatte, mit der Bildung von Leben zu beginnen“, sagte Dr. Mansfield. „Das ist die erste Frage, die wir hier zu beantworten versuchen: ob diese Planeten lange genug eine Atmosphäre haben könnten, um Leben zu entwickeln.“

Ein Planet, der vor Trappist-1 vorbeizieht, erzeugt einen winzigen Schatten, aber der Schatten ist zu klein, um vom Weltraumteleskop erfasst zu werden. Stattdessen erkennt das Teleskop eine leichte Abschwächung des Lichts, das vom Stern ausgeht.

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„Es ist, als würde man mit geschlossenen Augen auf eine Sonnenfinsternis schauen“, sagte Jacob Lustig-Yaeger, ein Astronom, der ein Postdoktorandenstipendium am Johns Hopkins Applied Physics Laboratory absolviert. „Vielleicht haben Sie das Gefühl, dass das Licht gedämpft ist.“

Ein Planet mit einer Atmosphäre würde den Stern dahinter anders abdunkeln als ein nackter Planet. Ein Teil des Lichts des Sterns geht direkt durch die Atmosphäre, aber die Gase absorbieren Licht bei bestimmten Wellenlängen. Wenn Astronomen nur Sternenlicht bei diesen Wellenlängen betrachten, wird der Planet Trappist-1 noch mehr verdunkeln.

Das Teleskop wird diese Beobachtungen von Trappist-1 zurück zur Erde senden. „Und dann erhalten Sie eine E-Mail mit der Aufschrift ‚Hallo, Ihre Daten sind verfügbar’“, sagte Dr. Mansfield.

Aber das Licht, das von Trappist-1 kommt, wird so schwach sein, dass es einige Zeit dauern wird, es zu verstehen. „Ihr Auge ist daran gewöhnt, mit Millionen von Photonen pro Sekunde umzugehen“, sagte Dr. Smith. „Aber diese Teleskope sammeln nur ein paar Photonen pro Sekunde.“

Bevor Dr. Mansfield oder ihre Astronomenkollegen in der Lage sein werden, Exoplaneten zu analysieren, die vor Trappist-1 vorbeiziehen, müssen sie ihn zunächst von winzigen Fluktuationen unterscheiden, die von der eigenen Maschinerie des Teleskops erzeugt werden.

„Ein Großteil der Arbeit, die ich tatsächlich mache, besteht darin, sicherzustellen, dass wir alle seltsamen Vorgänge des Teleskops sorgfältig korrigieren, damit wir diese winzig kleinen Signale sehen können“, sagte Dr. Mansfield.

Es ist möglich, dass Dr. Mansfield und ihre Kollegen am Ende dieser Bemühungen eine Atmosphäre um einen Trappist-1-Planeten entdecken werden. Aber dieses Ergebnis allein wird die Natur der Atmosphäre nicht enthüllen. Es könnte reich an Stickstoff und Sauerstoff sein, wie auf der Erde, oder eher dem giftigen Eintopf aus Kohlendioxid und Schwefelsäure auf der Venus ähneln. Oder es könnte eine Mischung sein, die Wissenschaftler noch nie zuvor gesehen haben.

„Wir haben keine Ahnung, woraus diese Atmosphären bestehen“, sagte Alexander Rathcke, Astronom an der Technischen Universität Dänemark. „Wir haben Ideen, Simulationen und all dieses Zeug, aber wir haben wirklich keine Ahnung. Wir müssen gehen und nachsehen.“

Das James-Webb-Weltraumteleskop, manchmal auch als JWST bezeichnet, könnte sich als leistungsfähig genug erweisen, um die spezifischen Bestandteile der Atmosphäre von Exoplaneten zu bestimmen, da jede Art von Molekül einen anderen Wellenlängenbereich des Lichts absorbiert.

Aber diese Entdeckungen werden vom Wetter auf den Exoplaneten abhängen. Eine helle, reflektierende Wolkendecke könnte verhindern, dass Sternenlicht in die Atmosphäre eines Exoplaneten eindringt, und jeden Versuch, fremde Luft zu finden, ruinieren.

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„Es ist wirklich schwer, zwischen einer Atmosphäre mit Wolken und keiner Atmosphäre zu unterscheiden“, sagte Dr. Rathcke.

Wenn das Wetter mitspielt, sind Astronomen besonders gespannt, ob die Exoplaneten Wasser in ihrer Atmosphäre haben. Zumindest auf der Erde ist Wasser eine wesentliche Voraussetzung für die Biologie. „Wir denken, dass dies wahrscheinlich ein guter Ausgangspunkt wäre, um nach Leben zu suchen“, sagte Dr. Mansfield.

Aber eine wässrige Atmosphäre bedeutet nicht unbedingt, dass ein Exoplanet Leben beherbergt. Um sicherzugehen, dass ein Planet lebt, müssen Wissenschaftler eine Biosignatur, ein Molekül oder eine Kombination mehrerer Moleküle, die charakteristisch von Lebewesen hergestellt werden, entdecken.

Wissenschaftler diskutieren immer noch, was eine zuverlässige Biosignatur wäre. Die Erdatmosphäre ist insofern einzigartig in unserem Sonnensystem, als sie viel Sauerstoff enthält, der größtenteils das Produkt von Pflanzen und Algen ist. Sauerstoff kann aber auch ohne Lebenshilfe entstehen, wenn Wassermoleküle in der Luft gespalten werden. Methan kann ebenfalls von lebenden Mikroben, aber auch von Vulkanen freigesetzt werden.

Es ist möglich, dass es ein bestimmtes Gasgleichgewicht gibt, das eine eindeutige Biosignatur liefern kann, eines, das ohne die Hilfe des Lebens nicht aufrechterhalten werden kann.

„Wir brauchen extrem günstige Szenarien, um diese Biosignaturen zu finden“, sagte Dr. Rathcke. „Ich sage nicht, dass es nicht möglich ist. Ich finde es einfach weit hergeholt. Wir müssen sehr viel Glück haben.“

Joshua Krissansen-Totton, ein Planetenwissenschaftler an der University of California in Santa Cruz, sagte, dass das Webb-Teleskop möglicherweise einen Planeten beobachten muss, der wiederholt vor Trappist-1 vorbeizieht, um ein solches Gleichgewicht zu finden.

„Wenn sich in den nächsten fünf Jahren jemand meldet und sagt: ‚Ja, wir haben mit JWST Leben gefunden’, werde ich dieser Behauptung gegenüber sehr skeptisch sein“, sagte Dr. Krissansen-Totton

Es ist möglich, dass das James-Webb-Weltraumteleskop einfach nicht in der Lage sein wird, Biosignaturen zu finden. Diese Aufgabe muss möglicherweise auf die nächste Generation von Weltraumteleskopen warten, die mehr als ein Jahrzehnt entfernt sind. Diese werden Exoplaneten auf die gleiche Weise untersuchen, wie Menschen Mars oder Venus am Nachthimmel betrachten: indem sie das Sternenlicht beobachten, das von ihnen vor dem schwarzen Hintergrund des Weltraums reflektiert wird, anstatt sie zu beobachten, während sie vor einem Stern vorbeiziehen.

„Vor allem werden wir die sehr wichtige Vorarbeit für zukünftige Teleskope leisten“, prognostizierte Dr. Rathcke. „Ich wäre sehr überrascht, wenn JWST Biosignatur-Erkennungen liefern würde, aber ich hoffe, korrigiert zu werden. Ich meine, das ist im Grunde das, wofür ich diese Arbeit mache.“

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