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Die Episode über Astrobiologie und wie man Hinweise auf Leben in den Atmosphären von Exoplaneten entdeckt

CL007 - Die Suche nach Leben auf Exoplaneten

Die Episode über Astrobiologie und wie man Hinweise auf Leben in den Atmosphären von Exoplaneten entdeckt

In dieser Folge reden wir über die Suche nach Leben außerhalb unseres Planeten. Dabei diskutieren wir über Astrobiologie und wie man Leben auf Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdecken kann. Dabei sprechen wir über Biosignaturen, Gase in den Exoplaneten-Atmosphären, die auf Leben hinweisen können und wie uns zukünftige Instrumente bei der Erforschung von Exoplaneten helfen können.

Einleitung und Begrüßung

In der letzten Folge für dieses Jahr reden Teresa und Eva zuerst darüber, dass jetzt Weihnachtsferien sind und trotz Ferien viel für die Uni zu tun ist. Außerdem unterhalten sich die Beiden über das Hörertreffen in Wien, wo sie gemeinsam mit Hörern des Podcast eine Führung über die Meteoritensammlung im Naturhistorischen Museum gemacht haben.

Das Thema dieser Folge ist über Leben auf anderen Planeten, genauer gesagt über die Entdeckung von Leben auf Exoplaneten. In den letzten Folgen haben wir schon einiges über Exoplaneten erfahren und diesmal wollen wir uns der Frage, wie man denn Leben auf Exoplaneten, genauer in deren Atmosphären entdecken kann, widmen. Dazu möchte ich zuerst den Begriff Astrobiologie erklären.

Astrobiologie

Die Astrobiologie ist ein breit gefächertes interdisziplinäres Feld aus Mikrobiologie, Biophysik, Biochemie, Chemie, Astronomie, physikalische Kosmologie, Exoplanetologie, Geologie, Planetologie, Ichnologie (Teilgebiet der Paläontologie, welches sich mit den Auswirkungen biologischer Aktivität auf das Sediment beschäftigt). Wie man sieht arbeiten hier Wissenschaftler aus sehr vielen verschiedenen Disziplinen zusammen.

Diese Wissenschaft befasst sich mit Fragen wie:

● Wie entstand Leben auf der Erde?

● Gibt es Leben außerhalb der Erde, auf anderen Planeten oder Monden?

● Wie suchen wir danach?

● Das beste Exemplar für Leben ist natürlich die Erde. Aber existiert es auch anderswo? In anderen Formen?

● Grenzen des Lebens?

● Welche Form des Lebens könnte es geben?

● Unter welchen extremen Bedingungen kann Leben, sogenannte Extremophile (Organismen, die sich extremen Umweltbedingungen angepasst haben, die im Allgemeinen als lebensfeindlich betrachtet werden) überleben? Extremophile leben beispielsweise bei Vulkanen, in der Tiefsee, bei heiße Quellen etc.

Kurzgesagt, Astrobiologie versucht die große Frage zu beantworten: Sind wir alleine?

Dabei stellt sich auch gleich mal die Frage, was ist Leben eigentlich? Selbst nach Jahrzehnten Forschung hat man noch keine eindeutige Antwort.

Wissenschaftliche Institute, die sich mit der Astrobiologie beschäftigen sind Institute wie NAI, NASA Astrobiology Institute, EAI European Astrobiology Institute oder das CAB, Centro de Astrobiología.

Bei der Erforschung von Leben auf anderen Planeten geht man von Bedingungen, so wie sie auf der Erde sind aus, da wir das kennen und erforschen können. Falls es eine Biologie gibt, die sich radikal anders verhält als auf der Erde, dann würden wir nicht wissen, wie wir ein Experiment bauen sollen, um diese Form des Lebens zu entdecken.

Gründe, warum Leben weitverbreitet im Universum ist

● Die Bausteine für Leben, organische Moleküle, formen sich einfach und natürlich, anhand einfacher Chemie, in der Natur, sowie im Labor.

● Diese Bausteine für Leben sind weit verbreitet im Universum.

● Leben hat sich schon sehr früh auf der Erde geformt, als die Erde noch sehr inhospitabel war.

● Das Leben auf einem terrestrischen Planeten kann unter sehr vielen physischen und chemischen Bedingungen (Druck, Temperatur, Wassergehalt, pH-Wert etc) überleben.

● Es gibt viele habitable Welten von Planeten und Monden außerhalb unseres Sonnensystems.

Das Limit ist aktuell die Technologie, aber da gibt es schon

Suche nach Leben außerhalb unseres Planeten Erde

Die Suche nach Leben außerhalb unseres Planeten kann grob in drei Bereiche unterteilt werden:

● Die Suche nach habitablen Plätzen im Sonnensystem mithilfe von Raumfahrzeugen und Robotischen Proben.

● Die globale Änderung von Exoplaneten Atmosphären durch metabolische Prozesse von Mikroben. Metabolische Prozesse sind chemische Umwandlungen von Stoffen im Körper von Lebewesen, auch bekannt unter Stoffwechsel. Mikroben sind mikroskopische kleines Lebewesen, das als Einzelwesen nicht mit bloßem Auge erkennbar ist. Oft sind das Einzeller, aber auch wenigzellige Lebewesen wie Pilze und Algen. Dabei sind vor allem erdähnliche terrestrische Planeten innerhalb von 20-30pc das Ziel. Pc ist die Einheit Parsec und entspricht ca. 3.26 Lichtjahren oder 206265 Astronomischen Einheiten. Diese Einheit wird vor allem für Distanzen außerhalb unseres Sonnensystems verwendet.

● Die letzte Kategorie ist die Suche nach Signaturen von Technologie von extraterrestrischer Zivilisation in Form von Radio und optischen Pulssignalen, thermischen Fußabdrücken, oder physischen Artefakten. Damit beschäftigt sich beispielsweise auch SETI.

Ich möchte in der Folge hauptsächlich auf die Suche nach Leben in Exoplaneten eingehen.

Die Erde in der Größe eines Pixel

Nehmen wir mal an, dass wir die Erde von weit weg beobachten. Wie würden wir Leben auf der Erde entdecken, wenn wir weit weg sind? Die Erde wäre so groß wie ein Pixel im Bild, lediglich ein schwacher blauer Punkt. Man kann keine großen Konstruktionen sehen, die von der menschlichen Zivilisation erschaffen wurden, wie die Pyramiden von Ägypten, die chinesische Mauer oder andere massive Kunstwerke. Auch die großen Städte, die wir gebaut haben, wird man nicht sehen, da weniger als 1% der Erde urbanisiert ist.

Es gab mal eine Gruppe von Forschern, die 10 000 Bilder über 2 Jahre von der Erde gemacht haben und jedes Bild der Erde auf ein Pixel reduzierten. Dabei haben sie zwei verschiedene Veränderungen gemessen: jene Änderungen, die durch die verändernden Wolkendecke über den Planeten, und jene Änderungen, durch Kontinente und Ozeane, wenn sie durch die Drehung der Erde sichtbar waren. Das war natürlich ein wichtiger Beweis, um auf Exoplaneten Topographie zu studieren, aber weiterhin kein Beweis auf Biologie.

Transitspektroskopie

Mithilfe von Transitspektroskopie, eine sehr genaue, jedoch auch sehr schwierige Methode, will man in Zukunft die Atmosphären von Exoplaneten untersuchen. Anhand der gewonnenen Spektren untersucht man dann die einzelnen Gase, die sich in deren Atmosphären befinden. Dabei macht man mehrere Aufnahmen und schaut, ob sich die Atmosphäre und deren Elemente verändern. Hier ist ein tolles Video, von NASA, wie wir Exoplaneten Atmosphären entdecken können.

Laut Modellen von Atmosphären braucht man Daten von 30-50 Transits, um genügen Daten zu haben, um Sauerstoff und Methan in Erdanalogen, die rote Zwerge in einer Distanz von ca. 15pc umkreisen, zu entdecken.

Biosignaturen

Betrachtet man das Erdspektrum im Vergleich zur Venus und Marsspektrum, so sieht man, dass die Atmosphären von Venus und Mars 95% CO_2 haben und Spurenelemente von Sauerstoff. Schaut man jedoch zur Erde, so sieht man, dass dieses aus 21% Sauerstoff und Spurenelementen von CO2 besteht. Das Sauerstoff wurde durch Mikroben, den sogenannten Cyanobakterien, vor Milliarden von Jahren prdoduziert und wurde seither durch Leben beibehalten, was die Atmosphäre weit aus dem Gleichgewicht bringt. Jedoch gibt es auch abiotische Wege, also ohne Leben, um große Mengen an Sauerstoff in einer Planetenatmosphäre zu produzieren.

Neben Sauerstoff gibt es jedoch noch sehr viele verschiedene Gase, die auf Leben hinweisen können. Diese werden allgemein unter Biosignatur zusammengefasst.

Eine Biosignatur (manchmal „chemisches Fossil“ oder „molekulares Fossil“ genannt) ist ein Element, Molekül, Isotop oder Naturphänomen, das einen wissenschaftlichen Beweis für die Existenz von Leben in der Gegenwart oder Vergangenheit liefert.

Ein Biosignaturgas ist ein Gas, welches durch Leben auf ein nachweisbares Niveau in einer planetaren Atmosphäre produziert wird. Neben Sauerstoff sind die wichtigsten Gase Ozon, Methan, Distickstoffmonoxid, besser bekannt unter Lachgas, und Wasserdampf. Sauerstoff ist dabei ein archetypisches Biosignaturgas, durch seine direkte Verbindung mit Biologie und seine hohe Konzentration in der modernen Atmosphäre.

Wissenschaftler haben dabei mal eine ganze Liste von Molekülen zusammengestellt und kamen auf 14 000 Moleküle, die auf Leben hinweisen könnten. Hier wurde in der Folge Element anstatt Molekül gesagt.

Wir sprechen weiters auch von CHNOPS, sechs Elemente, die in verschiedenen Kombinationen in den meisten Biomolekülen anzutreffen sind. Die einzelnen Buchstaben stehen für die Abkürzungen der Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel.

Auch wenn man die gleichen chemischen Zutaten hat, so ist das Ergebnis das dabei rauskommt sehr unterschiedlich. Als Analog dazu: Alle Küchen sind gleich eingerichtet, sie haben einen Ofen und Regale mit ähnlichen Zutaten, aber die Speisen, die man aus der Küche serviert bekommt, können stark variieren.

Instrumente

Um diese Elemente in Atmosphären von Exoplaneten zu entdecken, gibt es verschiedene Teleskope, zum Beispiel das James Web Space Telescope (JWST). Das Infrarotspektrum wird dazu verwendet, um Wasser, Methan, und CO_2, sowie Sauerstoff als Biosignaturen zu untersuchen. Nach diesen Stoffen will man auch bei den Trappist-1 Planeten mit JWST suchen-

Neben dem JWST gibt es auch einige bodengebundene Teleskope, wie das 24.5m Giant Magellan Teleskop in Chile, das 30m Teleskop in Hawaii oder das zukünftige 39m Extremely Large Telescope (ELT) in Chile. All diese Teleskope besitzen hochauflösende Spektrografen, welche sensitiv auf Sauerstoff und ein breites Spektrum an weiteren Biosignaturen sind.

Wichtige zukünftige Missionen sind beispielsweise PLATO (Planetary Transits and Oscillations of Stars) oder ARIEL (Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-Survey), das Transitspektroskopie für Exoplaneten macht. Das Teleskop ist zwar kleiner, wird aber ausschließlich den Exoplaneten gewidmet, sowie viele weitere Missionen (Nancy Grace Roman Space Telescope, HabEx (Habitable Planet Imaging Mission), LUVOIR (Large Ultraviolet Optical and Infrared Surveyor)). Mit all diesen tollen Missionen, die in Zukunft gestartet werden ist die Wahrscheinlichkeit ganz groß, dass man einen erdähnlichen Exoplaneten, der Leben beherbergen könnte, findet.

Die Biosignaturen sind bei unterschiedlichen Wellenlängen sichtbar, da die Moleküle und Elemente bei verschiedenen Wellenlängen Absorptions- oder Emissionslinien erzeugen. Dabei kann man einige wichtige Biosignaturen im Infraroten Wellenlängenbereich sehen, weshalb da viele Teleskope operieren.

Fazit

Wir können gespannt bleiben, was zukünftige Missionen noch so alles entdecken werden und die Forschung über die Atmosphären von Exoplaneten ist ein brandaktuelles Thema, das bestimmt noch viele spannende Ergebnisse mit sich bringen wird.

Weiterführende Links

Life beyond Earth: How will it first be detected?

Toward a List of Molecules as Potential Biosignature Gases for the Search for Life on Exoplanets and Applications to Terrestrial Biochemistry

TEDx Talk über Astrobiologie

Biosignatures Search in Habitable Planets

EXOPLANETS - The Search for Atmospheric Biosignature Gases, Professor Sara Seager, MIT

Astrobiology at NASA

NAI (NASA Astrobiology Institute)

EAI (European Astrobiology Institute)

CAB (Centro de Astrobiología)

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