Die Superteleskope kommen, riesige boden- und weltraumgestützte Observatorien, mit denen wir die Atmosphären entfernter Welten direkt beobachten können. Wir wissen, dass es Leben auf der Erde gibt und unsere Atmosphäre erzählt die Geschichte, können wir also dasselbe mit extrasolaren Planeten tun? Es stellt sich heraus, dass es wirklich hart ist, eine einzige Biosignatur zu entwickeln, eine Chemikalie in der Atmosphäre, die einem sagt, dass es auf dieser Welt absolut Leben gibt.
Ich muss zugeben, ich war in der Vergangenheit ziemlich schlecht dafür. In alten Episoden von Astronomy Cast und dem Weekly Space Hangout, sogar hier im Guide to Space, habe ich gesagt, wenn wir nur die Atmosphäre einer fernen Welt probieren könnten, könnten wir mit Überzeugung sagen, ob es dort Leben gibt.
Erkennen Sie einfach Ozon in der Atmosphäre, Methan oder sogar Umweltverschmutzung und Sie könnten sagen: 'Da ist Leben.' Nun, der zukünftige Fraser ist hier, um den früheren Fraser zu korrigieren. Obwohl ich seinen naiven Enthusiasmus für die Suche nach Außerirdischen bewundere, stellt sich wie immer heraus, dass die Dinge schwieriger werden, als wir bisher dachten.
Astrobiologen kämpfen tatsächlich darum, eine einzige rauchende Biosignatur herauszufinden, die verwendet werden könnte, um zu sagen, dass es da draußen Leben gibt. Und das liegt daran, dass natürliche Prozesse anscheinend clevere Möglichkeiten haben, uns zu täuschen.
Was sind potenzielle Biosignaturen, warum sind sie problematisch und was braucht es, um diese Bestätigung zu erhalten?
Beginnen wir mit einer Welt ganz in der Nähe: dem Mars.
Seit fast zwei Jahrzehnten haben Astronomen große Methanwolken in der Atmosphäre des Mars entdeckt. Hier auf der Erde stammt Methan von Lebewesen wie Bakterien und furzenden Kühen. Darüber hinaus wird Methan leicht durch Sonnenlicht abgebaut, was bedeutet, dass es sich nicht um uraltes Methan handelt, das vor Milliarden von Jahren übrig geblieben ist. Ein Prozess auf dem Mars füllt ihn ständig auf.
Aber was?
Nun, neben dem Leben kann Methan natürlich auch durch Vulkanismus entstehen, wenn Gesteine mit erhitztem Wasser interagieren.
Die NASA versuchte dieser Frage mit den Rovern Spirit und Opportunity auf den Grund zu gehen, und es wurde erwartet, dass Curiosity die Werkzeuge an Bord haben sollte, um die Quelle des Methans zu finden.
Panoramaaufnahme des Curiosity-Rovers vom September 2016. In der Ferne ist der blasse Umriss von Aeolis Mons zu erkennen. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Im Laufe mehrerer Monate hat Curiosity dort unten an der Oberfläche einen Anstieg von Methan festgestellt, aber selbst das hat zu einer Kontroverse geführt. Es stellte sich heraus, dass der Rover selbst Methan transportierte und das Gebiet um sich herum kontaminiert haben könnte. Vielleicht stammte das entdeckte Methan von ihm selbst. Es ist auch möglich, dass ein felsiger Meteorit in der Nähe gefallen ist und Gas freigesetzt hat, das die Ergebnisse verunreinigt hat.Die ExoMars-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) erreichte den Mars im Oktober 2016. Obwohl der Schiaparelli-Lander zerstört wurde, überlebte der Spurengas-Orbiter die Reise und begann mit einer detaillierten Kartierung der Marsatmosphäre, indem er nach Orten suchte, an denen Methan freigesetzt werden könnte, und so Bis jetzt haben wir noch keine schlüssigen Ergebnisse.
Mit anderen Worten, wir haben eine Flotte von Orbitern und Landern auf dem Mars, die mit Instrumenten ausgestattet sind, die entwickelt wurden, um den leisesten Hauch von Methan auf dem Mars aufzuspüren.
Künstlerische Darstellung, die die Trennung des ExoMars-Einstiegs-, Abstiegs- und Landedemonstratormoduls Schiaparelli vom Trace Gas Orbiter (TGO) visualisiert. Bildnachweis: ESA
Es gibt einige wirklich faszinierende Hinweise darauf, wie der Methangehalt auf dem Mars mit den Jahreszeiten zu steigen und zu sinken scheint, was auf Leben hindeutet, aber Astrobiologen sind sich immer noch nicht einig.
Außerordentliche Ansprüche erfordern außergewöhnliche Beweise und so weiter.
Einige Teleskope können bereits die Atmosphären von Planeten messen, die andere Sterne umkreisen. In den letzten zehn Jahren hat das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA die Atmosphären verschiedener Welten kartiert. Hier ist zum Beispiel eine Karte der heißer Jupiter HD 189733b
Spitzer Temperaturkarte von HD 189733b (NASA)
. Der Ort ist scheiße, aber wow, um die Atmosphäre eines anderen Planeten zu messen, ist das ziemlich spektakulär.Sie vollbringen diese Leistung, indem sie die Chemikalien des Sterns messen, während der Planet vor ihm vorbeizieht, und dann messen, wenn kein Planet vorhanden ist. Das sagt Ihnen, welche Chemikalien der Planet zur Party mitbringt.
Sie konnten auch die Atmosphäre von HAT-P-26b , einer relativ kleinen Welt von Neptungröße, die einen nahen Stern umkreist, und waren überrascht, Wasserdampf in der Atmosphäre des Planeten zu finden.
Heißt das, es gibt Leben? Wo immer wir auf der Erde Wasser finden, finden wir Leben. Nein, du kannst total Wasser bekommen, ohne Leben zu haben.
Bei seinem Start im Jahr 2019 wird das James Webb-Weltraumteleskop der NASA diese atmosphärische Erfassung auf die nächste Stufe heben und es Astronomen ermöglichen, die Atmosphären vieler weiterer Welten mit einer viel höheren Auflösung zu untersuchen.
Abbildung, die die mögliche Oberfläche von TRAPPIST-1f zeigt, einem der neu entdeckten Planeten im TRAPPIST-1-System. Credits: NASA/JPL-Caltech
Eines der ersten Ziele für Webb wird das TRAPPIST-1-System sein, dessen halbes Dutzend Planeten in der bewohnbaren Zone eines Roten Zwergsterns kreisen. Webb sollte in der Lage sein, Ozon, Methan und andere potenzielle Biosignaturen für das Leben zu erkennen.
Was braucht es also, um eine ferne Welt sehen zu können und sicher zu wissen, dass dort Leben ist?
Astrobiologe John Lee Grenfell vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt hat kürzlich einen Bericht erstellt, der alle möglichen exoplanetaren Biosignaturen durchgeht und sie daraufhin überprüft, wie wahrscheinlich sie auf Leben auf einer anderen Welt hinweisen.
Das erste Ziel wird molekularer Sauerstoff oder O2 sein. Du atmest es gerade. Jedenfalls 21% von jedem Atemzug. Sauerstoff wird in der Atmosphäre einer anderen Welt Tausende von Jahren ohne Quelle überdauern.
Es wird hier auf der Erde durch Photosynthese hergestellt, aber wenn eine Welt von ihrem Stern geschlagen wird und die Atmosphäre verliert, dann wird der Wasserstoff in den Weltraum geblasen und molekularer Sauerstoff kann zurückbleiben. Mit anderen Worten, Sie können sich auf keine Weise sicher sein.
Wie wäre es mit Ozon, auch bekannt als O3? O2 wird durch einen chemischen Prozess in der Atmosphäre in O3 umgewandelt. Es klingt wie ein guter Kandidat, aber das Problem ist, dass es auch natürliche Prozesse gibt, die Ozon produzieren können. Es gibt eine Ozonschicht auf der Venus, eine auf dem Mars, und sie wurden sogar um Eismonde im Sonnensystem entdeckt.
Es gibt Lachgas, auch Lachgas genannt. Es wird von Bakterien im Boden produziert und trägt zum Stickstoffkreislauf der Erde bei. Und es gibt gute Nachrichten, die Erde scheint die einzige Welt im Sonnensystem zu sein, die Lachgas in ihrer Atmosphäre hat.
Wissenschaftler haben jedoch auch Modelle entwickelt, wie diese Chemikalie in der Frühgeschichte der Erde entstanden sein könnte, als ihr schwefelreicher Ozean mit Stickstoff auf dem Planeten interagierte. Tatsächlich könnten sowohl Venus als auch Mars einen ähnlichen Zyklus durchlaufen haben.
Mit anderen Worten, Sie sehen vielleicht Leben oder einen jungen Planeten.
Ligeia Mare, hier in Daten der NASA-Raumsonde Cassini gezeigt, ist der zweitgrößte bekannte Flüssigkeitskörper auf dem Saturnmond Titan. Es ist mit flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Ethan und Methan gefüllt und ist eines der vielen Meere und Seen, die Titans Nordpolarregion schmücken. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/ASI/Cornell
Dann gibt es Methan, die Chemikalie, über die wir so lange gesprochen haben. Und wie ich bereits erwähnt habe, gibt es Methan, das hier auf der Erde vom Leben produziert wird, aber es ist auch auf dem Mars, und auf Titan gibt es flüssige Ozeane aus Methan.
Astrobiologen haben andere Kohlenwasserstoffe wie Ethan und Isopren vorgeschlagen, aber auch diese haben ihre eigenen Probleme.
Was ist mit den Schadstoffen, die von fortgeschrittenen Zivilisationen ausgestoßen werden? Astrobiologen nennen dies „Technosignaturen“, und sie könnten Dinge wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder nuklearen Niederschlag einschließen. Aber auch hier wäre es schwer, diese Chemikalien Lichtjahre entfernt zu entdecken.
Astronomen haben vorgeschlagen, nach toten Erden zu suchen, nur um eine Basislinie zu setzen. Dies wären Welten, die sich in der bewohnbaren Zone befinden, aber das Leben kam offensichtlich nie in Gang. Nur Gestein, Wasser und eine nicht biologisch erzeugte Atmosphäre.
Das Problem ist, dass wir wahrscheinlich nicht einmal einen Weg finden können, um zu bestätigen, dass eine Welt tot ist. Die Arten von Chemikalien, die Sie in der Atmosphäre erwarten würden, wie Kohlendioxid, könnten von den Ozeanen absorbiert werden, sodass Sie nicht einmal eine negative Bestätigung machen können.
Eine Methode beinhaltet möglicherweise nicht einmal das Scannen von Atmosphären. Die Vegetation hier auf der Erde reflektiert eine ganz bestimmte Lichtwellenlänge im 700-750-Nanometer-Bereich. Astrobiologen nennen dies den 'roten Rand', weil Sie im Vergleich zu anderen Oberflächen eine 5-fache Erhöhung des Reflexionsvermögens sehen.
Obwohl wir heute nicht über die Teleskope dafür verfügen, gibt es einige wirklich clevere Ideen, wie zum Beispiel zu untersuchen, wie das Licht eines Planeten auf einen nahegelegenen Mond reflektiert wird, und das zu analysieren. Auf der Suche nach Exoplaneten-Erdschein.
Tatsächlich hätte es in der frühen Geschichte der Erde aufgrund von archaischen Bakterien mehr lila ausgesehen.
Es gibt eine ganze Flotte von Raumfahrzeugen und Bodenobservatorien, die online gehen und uns helfen werden, diese Frage weiter zu untersuchen.
Die Gaia-Mission der ESA wird 1% der Sterne in der Milchstraße kartieren und charakterisieren und uns sagen, welche Arten von Sternen es da draußen gibt, sowie Tausende von Planeten zur weiteren Beobachtung entdecken.
Ein Konzeptbild des Transiting Exoplanet Survey Satellite.
Image Credit: MIT
Der Transiting Exoplanet Space Survey (TESS) startet 2018 und wird alle erdgroßen und größeren Transitplaneten in unserer Nachbarschaft finden.
Die PLATO 2-Mission wird felsige Welten in der bewohnbaren Zone finden, und James Webb wird in der Lage sein, ihre Atmosphären zu studieren. Wir haben auch über das massive LUVOIR-Teleskop gesprochen, das in den 2030er Jahren online gehen und diese Beobachtungen auf die nächste Stufe heben könnte.
Und es sind noch viele weitere weltraum- und bodengestützte Observatorien in Arbeit.
Während diese nächste Runde von Teleskopen online geht, die in der Lage sind, die Atmosphäre einer erdgroßen Welt, die einen anderen Stern umkreist, direkt zu messen, werden Astrobiologen Schwierigkeiten haben, eine Biosignatur zu finden, die ein klares Zeichen dafür liefert, dass es dort Leben gibt.
Anstelle von Gewissheit sieht es so aus, als würden wir den gleichen Kampf haben, um einen Sinn in dem zu finden, was wir sehen. Astronomen werden sich widersprechen, neue Techniken und neue Instrumente entwickeln, um ungelöste Fragen zu beantworten.
Es wird eine Weile dauern, und die Unsicherheit wird schwer zu handhaben sein. Aber denken Sie daran, dies ist wahrscheinlich die wichtigste wissenschaftliche Frage, die sich jeder stellen kann: Sind wir allein im Universum?
Es lohnt sich, auf die Antwort zu warten.
Quelle: John Lee Grenfell: Ein Überblick über exoplanetare Biosignaturen.
Hutspitze zu Dr. Kimberly Cartier für den Hinweis auf dieses Papier. Verfolge ihre Arbeit im EOS Magazin .