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Ausführliche Beschreibung zu "Die Äquator-Falle: Warum die Suche nach Leben auf anderen Planeten schwieriger sein dürfte als gedacht" 

Die Suche nach Exoplaneten - also nach Planeten, die andere Sterne umkreisen als die Sonne - ist eines der fruchtbarsten Gebiete der astronomischen Forschung der letzten Jahrzehnte. Sie verspricht Antworten auf eine der grundlegendsten Fragen der Wissenschaft: Sind wir allein im Universum? Oder gibt es da draußen noch anderes Leben?

Mit den nächsten Teleskopgenerationen und verbesserten Beobachtungstechniken ist gut möglich, dass wir bereits in den nächsten Jahrzehnten gesicherte Antworten finden. Untersuchungen, die Ergebnisse aus Planetologie, Astronomie, Atmosphärenchemie und Biologie miteinander verbinden, eröffnen eine Reihe von Möglichkeiten, wie sich Leben auf anderen Planeten durch Beobachtungen von Exoplaneten-Atmosphären nachweisen lassen könnte. Doch nun hat eine Studie unter der Leitung von Ludmila Carone vom Max-Planck-Institut für Astronomie gezeigt, dass die Suche nach Leben im Universum doch noch schwieriger ist, als bis dahin angenommen.

Die Erklärung bezieht Wetterphänomene und großräumige Luftströmungen mit ein, die aus der terrestrischen Meteorologie bekannt sind, aber erst seit kurzem in realistische Modelle von Exoplaneten einfließen. Das erweist sich als besonders wichtig für einige derjenigen Kandidaten für erdähnliche Exoplaneten, die unserem Sonnensystem vergleichbar nahe sind, und damit die besten Kandidaten für intensivere Beobachtungen auf der Suche nach Leben: Proxima Centauri b, dessen Entdeckung im August 2016 angekündigt wurde, und die Anfang 2017 bekannt gegebenen Planeten des TRAPPIST-1-Systems. Im TRAPPIST-1-System wandten Carone und ihre Kollegen ihre Aufmerksamkeit insbesondere TRAPPIST-1d als potenziell lebensfreundlichem Planeten zu. Zu Vergleichszwecken simulierten sie außerdem noch den Planeten TRAPPIST-1b und den Planetenkandidaten GJ 667 Cf.

Für die Suche nach Leben auf anderen Planeten mithilfe astronomischer Beobachtungen spielt Sauerstoff eine Schlüsselrolle. Sauerstoff ist sehr reaktiv; im chemischen Gleichgewicht, also wenn alle infrage kommenden chemischen Reaktionen genügend Zeit hatten, um ihren Lauf zu nehmen, würde man erwarten, dass Sauerstoff vornehmlich in eng gebundenen Molekülen vorkommt, nachdem er mit anderen Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff oder verschiedenen Metallen reagiert hat. Außerirdische Astronom dagegen, die die Erdatmosphäre studieren, würden darin reichlich Sauerstoff und insbesondere Ozon finden, eine besonders kurzlebige Variation des Sauerstoffs (bestehend aus drei Sauerstoffatomen). Und sie würden sich sofort fragen, wie das kommt.

Die Ozonschicht, die sich in der unteren Stratosphäre in einer Höhe von 20 bis 30 Kilometern über dem Erdboden befindet, ist nicht nur ein wichtiger Schutz für das Leben auf der Erde, da sie schädliche ultraviolette Strahlung abschirmt. Sie ist auch eine direkte Folge des Vorhandenseins von Leben: Bis vor 2,45 Milliarden Jahren war die Erdatmosphäre praktisch frei von Sauerstoffmolekülen (O2) und Ozon (O3). Erst durch den Aufstieg sauerstoffproduzierender Cyanobakterien, die wie moderne Pflanzen durch Photosynthese Sauerstoff produzieren, gelangten beachtliche Mengen von Sauerstoff in die frühe Erdatmosphäre. Sobald der Sauerstoffgehalt ausreichend hoch war, wurde in den höheren Schichten der Atmosphäre Ozon gebildet, indem UV-Licht Sauerstoffmoleküle in Sauerstoffatome spaltete und einzelne Sauerstoffatome sich mit Sauerstoffmolekülen O2 zu Ozon verbanden.

Da Sauerstoffmoleküle durch Reaktion mit anderen Molekülen in der Atmosphäre laufend abgebaut werden, kann eine Ozonschicht nur dann Bestand haben, wenn sie ständig nachgefüllt wird. Auf der modernen Erde sind dafür Pflanzen verantwortlich. Die Photosynthese, bei der Pflanzen aus Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht energiereiche Kohlenhydrate und molekularen Sauerstoff erzeugen, sorgt für eine gleichmäßige Versorgung mit neuen Sauerstoffmolekülen. 

Auf der Suche nach Leben sind Sauerstoff und Ozon wichtige Akteure - wenn auch nicht die einzigen. Typische Suchstrategien kombinieren verschiedene Hinweise aus dem Spektrum einer Exoplaneten-Atmosphäre, etwa die Spuren von Sauerstoff, Ozon, Wasser und Methan. So soll sichergestellt werden, dass ein chemisches Ungleichgewicht tatsächlich das Vorhandensein von Sauerstoff produzierendem Leben anzeigt, und nicht abiotische chemische Reaktionen, die zumindest für einen gewissen Gehalt an Luftsauerstoff verantwortlich sein könnten.

So weit, so gut. Planetenatmosphären sind aber nicht nur ein Ort chemischer Reaktionen. Sie sind in ständiger und komplexer Bewegung. Das kennen wir alle aus dem Alltagsleben, denn schließlich unterliegen auch wir ständig wechselnden Wetterbedingungen. Die Dynamik der Atmosphäre ist nun aber für den Ozongehalt unserer Atmosphäre von entscheidender Bedeutung.

Auf der Erde wird der größte Teil des Ozons nahe dem Äquator produziert, wo das Sonnenlicht senkrecht zu den Schichtstrukturen der Atmosphäre direkt auf die Atmosphäre trifft. Außerhalb der Tropen trifft das Sonnenlicht dagegen deutlich flacher auf die Atmosphäre. Das führt zu einem weniger dichten Photonenstrom und bedeutet außerdem, dass die Photonen einen größeren Teil der höheren Atmosphärenschichten durchqueren müssen, bevor sie die Stratosphäre erreichen. Glücklicherweise für uns gibt es eine großräumige Strömung, ein gigantisches "Förderband" für Luft, der den größten Teil des Ozons in Richtung der Pole trägt. Hinzu kommt, dass die Erde Jahreszeiten besitzt: Während unser Heimatplanet um die Sonne kreist, ist entweder die Nord- oder die Südhalbkugel zur Sonne hin geneigt, erhält dadurch mehr Sonnenlicht und produziert mehr Ozon. Im Zusammenspiel von Jahreszeiten und Luft-Förderband besitzt die Erde eine globale, laufend nachgebesserte schützende Ozonschicht.

Auf Planeten wie Proxima Centauri b oder TRAPPIST-1c oder d herrschen da schon ganz andere Verhältnisse.  Diese Planeten befinden sich sehr nah an ihren jeweiligen Sternen: Proxima Centauri b ist nur 0,05 astronomische Einheiten von Proxima Centauri (der der Erde am nächsten liegende Stern), also nur 0,05 der durchschnittlichen Entfernung Erde-Sonne. Die sieben bekannten Planeten im TRAPPIST 1-System liegen zwischen 0,01 und 0,06 astronomischen Einheiten ihres Sterns.

Solche Nähe führt fast zwangsläufig zu dem, was die Astronomen als "gebundene Rotation" bezeichnen: Bei solchen engen Abständen ist die Gravitationskraft des Sterns auf die sternzugewandte Seite des Planeten so deutlich größer als auf der dem Stern abgewandten Seite, dass der Planet dadurch in eine "bevorzugte Orientierung" gedreht wird, die er auf seiner gesamten Umlaufbahn beibehält. Entsprechend wendet der Planet dem Stern immer dieselbe Seite zu ("ewige Tagseite"), während die andere Hemisphäre immer vom Stern weg zeigt ("ewige Nacht").  Der gleiche Effekt wirkt übrigens auch im Erde-Mond-System; auch dort ist die Schwerkraft so stark, dass eine Seite des Mondes immer der Erde zugewandt bleibt, während die andere Seite des Mondes für Beobachter auf der Erde unsichtbar ist.

MPIAs Ludmila Carone ist eine Spezialistin für genau solche Situationen an der Schnittstelle von Astronomie, Geophysik, Chemie und Atmosphärenphysik. Als ausgebildete Geophysikerin mit langjähriger Erfahrung in der Astronomie hat sie Hunderte von dreidimensionalen Klimasimulationen für verschiedene Planetenarten durchgeführt.

Als Proxima Centauri b und die potenziell bewohnbaren Planeten im TRAPPIST-System entdeckt wurden, richteten Carone und ihr Team ihre Aufmerksamkeit auf diese vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Beobachtungen. Mit großräumigen Luftströmungen auf Exoplaneten, die sich in gebundener Rotation befinden, hatte sich Carone bereits in der Vergangenheit beschäftigt. Jetzt begann sie, verschiedene Szenarien für diese speziellen Planeten zu testen. Trifft man die für die Existenz von Leben sehr günstige Annahme, diese Planeten hätten eine Atmosphäre ähnlich jener der Erde – würde diese Atmosphäre dann wie die Erdatmosphäre eine globale Ozonschicht haben, die durch zukünftige Beobachtungen entdeckt werden könnte? Was diese Planeten definitiv nicht besitzen, sind wechselnde Jahreszeiten; schließlich ist immer dieselbe Halbkugel des Planeten dem Stern zugewandt. Aber gibt es zumindest ein "atmosphärisches Förderband", das dem auf der Erde ähnelt?

Den Ergebnissen von Carone und ihren Kollegen nach können einige Planeten in gebundener Rotation tatsächlich ein atmosphärisches Förderband besitzen, das Luft aus den äquatorialen Zonen in Richtung der Pole transportiert. In diesem Fall könnte sich das Ozon, das in der Nähe des Äquators produziert wird, gleichmäßig über die Atmosphäre verteilen, was zu einer globalen Ozonschicht führen würde. Es gibt aber noch eine andere Möglichkeit: Das Förderband könnte genau entgegengesetzt verlaufen und Ozon statt in Richtung Pole in Richtung Äquator transportieren! In diesem Falle würde sich eine regelrechte Ozon-Falle bilden, die chemische Verbindungen wie Ozon auf einen schmalen Teil der Planetenatmosphäre einschränken würde.

In ihren Simulationen fanden die Wissenschaftler heraus, dass der entscheidende Faktor für die Bestimmung des Szenarios – Falle oder globale Verteilung? – die Länge des Jahres des Planeten, d. h. die Zeit, die der Planet benötigt, um seinen Stern zu umkreisen. Planeten, die mehr als 25 Tage für eine volle Umlaufbahn um ihren Stern benötigen, haben wie die Erde polwärts gerichtete Strömungen. Planeten mit kürzeren Umlaufzeiten laufen Gefahr, eine Äquator-Falle für Ozon zu bilden. Das gilt z.B. für Proxima Centauri b, dessen "Jahr" nur elf Tage dauert.

Aber auch Planeten, in denen der Transport vom Äquator in Richtung der Pole erfolgt, können mit einem potentiellen Problem konfrontiert werden, das in der ewigen Dunkelheit der Nachtseite des Planeten lauert. Der polwärts gerichtete Transport auf den von Carone und ihren Kollegen untersuchten erdähnlichen Exoplaneten verläuft nämlich in der Regel viel schneller als auf der Erde.

Geht es darum, Chemikalien gleichmäßig in der Atmosphäre zu verteilen, kann das zuviel des Guten sein. Tatsächlich könnte sich bei einer zu starken, zu schnellen polwärts gerichteteten Strömung das stratosphärische Ozon des Planeten auf der Nachtseite sammeln. Für Astronomen, die auf der Suche nach Leben und konkret nach Informationen über die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre sind, ist das eine unwillkommene Komplikation. Bei der Suche werden nämlich spektroskopische Methoden angewandt, also die regenbogenartige Zerlegung von Licht in verschiedene Farbkomponenten, um die für verschiedene Atome und Moleküle charakteristischen Spektrallinien zu identifizieren.

Die Spektralanalyse der Atmosphären von Planeten, die weit entfernte Sterne umkreisen, ist eine beachtliche Herausforderung. Eine mögliche Methode analysiert Infrarotstrahlung von der (wärmeren) Tagesseite des Planeten. So lassen sich freilich keine chemischen Verbindungen aufspüren, die nur auf der Nachtseite vorkommen. Eine alternative Vorgehensweise ist bei Transitplaneten möglich, also bei Planeten, die aus der Sicht eines Beobachters auf der Erde regelmäßig direkt vor ihrem Stern vorbeiziehen. Befindet sich der Planet einmal vor dem Stern, kann man untersuchen, wie sich das Sternenlicht beim Durchgang durch die (dünne!) Atmosphäre des Planeten verändert. Aber diese Methode liefert allerdings nur Informationen über atmosphärische Regionen nahe der Tag-Nacht-Grenze und kann uns nichts über Verbindungen sagen, die tief in den Nachtregionen gefangen sind. In beiden Fällen wäre der Nachweis von chemischen Verbindungen, die nur auf der Nachtseite vorkommen, wesentlich schwieriger als bei Verbindungen, die sich gleichmäßig in der Atmosphäre verteilen.

Selbst ohne eine globale Ozonschicht, oder gar ganz ohne Ozonschicht, könnte ein erdähnlicher Exoplanet wie Proxima Centauri b oder die erwähnten TRAPPIST-1-Planeten durchaus noch bewohnbar sein. Diese Planeten umkreisen vergleichsweise kühle, rote Sterne, die zunächst nur sehr wenig schädliches Ultraviolett emittieren. Erschwerend kommt allerdings hinzu, dass diese Sterne auch sehr temperamentvoll sein und zu heftigen Ausbrüchen schädlicher Strahlung mit UV-Licht neigen können. Inwieweit diese Ausbrüche die Möglichkeit von Leben beeinflussen, ist derzeit noch unklar.

Für genauere Ergebnisse sowohl über die Bewohnbarkeit erdähnlicher Exoplaneten ohne globale Ozonschichten als auch über die Nachweisbarkeitsprobleme sind bessere Beobachtungen und komplexere Modelle erforderlich. Erstere wird voraussichtlich das James Webb Space Telescope (JWST) liefern, das 2019 in den Weltraum starten soll. JWST wird Infrarot-Spektren mit bisher unerreichter Genauigkeit, höherer Auflösung und über einen größeren Wellenlängenbereich als bisher aufnehmen. Der Infrarotbereich ist derjenige Teil des Spektrums, in dem viele Moleküle in der Atmosphäre von Exoplaneten, etwa Ozon und Methan, ihre charakteristischsten Spuren hinterlassen. Entsprechend ist zu erwarten, dass mit dem JWST eine ganz neue Ära für die chemische Analyse von Exoplanetenatmosphären beginnt.

Was die komplexeren Modelle angeht, sind Carone und ihre Kollegen bereits eifrig am Werk. Die hier beschriebene Studie befasste sich mit der atmosphärischen Dynamik, der Darstellung der verschiedenen Strömungen und "Förderbänder" sowie allgemein der Luftzirkulation in den Atmosphären von Exoplaneten, die sich in gebundener Rotation befinden. Daraus ist bereits zu ersehen, was für die Verteilung verschiedener chemischer Verbindungen, insbesondere Ozon, in den Atmosphären dieser Planeten zu erwarten ist. Für konkretere Aussagen muss man diese Verteilung allerdings explizit mit modellieren. Carone und ihre Kollegen sind jetzt dabei, genau solche vollständigeren Simulation durchzuführen.

Alles in allem mahnen die jetzt veröffentlichten Ergebnisse zur Vorsicht, was die Suche nach Leben in den Atmosphären der Exoplaneten angeht. Finden wir in entsprechenden Beobachtungen keine Anzeichen für Ozon, dann bedeutet das noch lange nicht, dass es auf dem Planeten kein Ozon, oder allgemeiner kein sauerstoffproduzierendes Leben gäbe. Es könnte auch bedeuten, dass das Ozon vor unseren Beobachtungen versteckt ist. Damit nimmt die Bedeutung alternativer

Marker für das Vorhandensein von Sauerstoff zu, etwa von molekularem Sauerstoff (O2) selbst oder dem sehr instabilen Tetraoxygen (O4).

Darüber hinaus zeigt die Möglichkeit von verborgenem Sauerstoff, wie wichtig es ist, ein möglichst vollständiges Bild von dem zu erhalten, was in der Atmosphäre geschieht. Der Nachweis von Methan und Wasser, direkte Messungen der Intensität des auf die Atmosphäre fallenden ultravioletten Lichts sowie von Indikatoren, die Temperatur und Druck der Atmosphäre anzeigen: all dies zusammen würde ein Modell von chemischen Reaktionen in der Atmosphäre ermöglichen, das verlässlich zeigen könnte, ob biologische Aktivität notwendig ist, um die Beobachtungen zu erklären oder nicht.

Es ist eine Binsenweisheit, dass die Suche nach Lebenszeichen auf anderen Planeten schwierig ist. Aber wie diese neue Studie zeigt, kennen wir offenbar noch nicht einmal alle Arten von Komplikationen, die dabei eine Rolle spielen können. Dabei können uns Atmosphärenmodelle helfen – und uns gleichzeitig neue und vielversprechende Wege aufzeigen, wie wir doch noch mit Aussicht auf Erfolg nach Leben auf fernen Planeten suchen können. 

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