Das Webb-Teleskop wird dort nach Lebenszeichen suchen

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

Eine Atmosphäre in einem anderen Sonnensystem zu identifizieren, wäre ziemlich bemerkenswert. Aber es besteht sogar die Möglichkeit, wenn auch nur eine winzige, dass eine dieser Atmosphären eine sogenannte Biosignatur aufweist: ein Signal des Lebens selbst.

„Ich denke, wir können Planeten 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 das Leben unter der Oberfläche des Roten Planeten versteckt oder darauf wartet, auf einem Jupiter- oder Saturnmond entdeckt zu werden. Einige Wissenschaftler hofften das sogar Venustrotz seiner sengenden Atmosphäre aus Schwefeldioxidwolken Venusianer beherbergen könnte.

Obwohl die Erde zufällig der einzige lebenserhaltende Planet in unserem eigenen Sonnensystem ist, beherbergen viele andere Sonnensysteme im Universum Exoplaneten.

1995 entdeckten Schweizer Astronomen den ersten Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreiste. Der als 51 Pegasi b bekannte Exoplanet hat sich als vielversprechende Heimat für Leben erwiesen – ein aufgeblähter Gasriese, der größer als Jupiter ist und eine Temperatur von 1.800 Grad Fahrenheit hat.

In den folgenden Jahren entdeckten Wissenschaftler mehr als 5.000 andere Exoplaneten. Einige von ihnen sind der Erde viel ähnlicher – etwa gleich groß, eher aus Gestein als aus Gas und kreisen in einer „Goldilocks-Zone“ um ihren Stern, nicht so nah, um gekocht, aber nicht eingefroren zu 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 Lupe fungieren, mit der Astronomen diese Welten genauer betrachten können.

Seit seinem Start von Kourou, Französisch-Guayana, hat das Teleskop reisen eine Million Meilen von der Erde entfernt und tritt in seine eigene Umlaufbahn um die Sonne ein. 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 entfernte Planeten enthüllen könnten.

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

NASA-Ingenieure begannen Mitte Juni mit dem Fotografieren 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 der leitende Wissenschaftler des Programms, Eric Smith. Da das Teleskop relativ wenig Zeit mit der Beobachtung von Exoplaneten verbringen wird, betrachtete Dr. Smith diese frühen 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 von Exoplaneten liefern werden.

Eine Reihe von Teams von Astronomen planen, die zu untersuchen sieben Planeten der einen Stern namens Trappist-1 umkreist. Frühere Beobachtungen deuten darauf hin, dass drei der Planeten die bewohnbare Zone einnehmen.

„Es ist ein großartiger 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 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 kreisen seine potenziell bewohnbaren Planeten aus nächster Nähe und brauchen nur wenige Tage, um den Stern zu umkreisen. Jedes Mal, wenn die Planeten Trappist-1 passieren, können sich die Wissenschaftler mit einer grundlegenden, aber entscheidenden Frage auseinandersetzen: Hat einer von ihnen eine Atmosphäre?

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

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

„Es ist möglich, dass sie einfach die gesamte Atmosphäre eines Planeten auslöschen, bevor er überhaupt die Chance hatte, Leben zu bilden“, sagte Dr. Mansfield. „Das ist die erste Frage, die wir hier zu beantworten versuchen: Könnten diese Planeten lange genug eine Atmosphäre haben, um Leben entwickeln zu können?“

Ein Planet, der vor Trappist-1 vorbeizieht, erzeugt einen kleinen Schatten, aber der Schatten ist zu klein, um vom Weltraumteleskop erfasst zu werden. Stattdessen erkennt das Teleskop eine leichte Lichtabschwächung des Sterns.

„Es ist, als würde man mit geschlossenen Augen eine Sonnenfinsternis beobachten“, sagte Jacob Lustig-Yaeger, ein Astronom, der ein Postdoktorandenstipendium am Johns Hopkins Applied Physics Laboratory absolviert. „Du hast vielleicht das Gefühl, dass das Licht verblasst ist.“

Ein Planet mit einer Atmosphäre würde den Stern dahinter anders verdecken 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 weiter verdunkeln.

Das Teleskop wird diese Beobachtungen von Trappist-1 zurück zur Erde senden. „Und dann erhalten Sie eine E-Mail wie ‚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, Millionen von Photonen pro Sekunde zu verarbeiten“, sagte Dr. Smith. „Aber diese Teleskope sammeln nur wenige Photonen pro Sekunde.“

Bevor Dr. Mansfield oder seine Astronomenkollegen Exoplaneten analysieren können, die vor Trappist-1 vorbeiziehen, müssen sie ihn zunächst von den winzigen Fluktuationen unterscheiden, die von der eigenen Maschinerie des Teleskops erzeugt werden.

„Ein Großteil meiner Arbeit besteht darin sicherzustellen, dass wir sorgfältig alles korrigieren, was das Teleskop seltsam macht, damit wir diese winzigen Signale sehen können“, sagte Dr. Mansfield.

Es ist möglich, dass Dr. Mansfield und seine Kollegen am Ende dieser Bemühungen eine Atmosphäre um einen Trappisten-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 näher am giftigen Eintopf aus Kohlendioxid und Schwefelsäure auf der Venus. 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 das, aber wir haben wirklich keine Ahnung. Wir müssen gehen und sehen.“

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 jeder Molekültyp einen anderen Wellenlängenbereich des Lichts absorbiert.

Aber diese Entdeckungen werden vom Wetter auf den Exoplaneten abhängen. Eine helle, reflektierende Wolkendecke könnte jedes Sternenlicht daran hindern, in die Atmosphäre eines Exoplaneten einzudringen, und alle Versuche, außerirdische Luft zu finden, zunichte machen.

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

Wenn das Wetter mitspielt, sind Astronomen besonders gespannt, ob 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 sicher zu sein, dass ein Planet lebt, müssen Wissenschaftler eine Biosignatur, ein Molekül oder eine Kombination mehrerer Moleküle erkennen, die eindeutig von Lebewesen hergestellt werden.

Wissenschaftler diskutieren immer noch, was eine zuverlässige Biosignatur wäre. Die Erdatmosphäre ist einzigartig in unserem Sonnensystem, da sie viel Sauerstoff enthält, ein Großteil davon das Produkt von Pflanzen und Algen. Sauerstoff kann aber auch ohne die Hilfe von Leben 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 eine bestimmte Gasbilanz gibt, die eine eindeutige Biosignatur liefern kann, die 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, Santa Cruz, sagte, dass das Erreichen eines solchen Gleichgewichts erfordern könnte, dass das Webb-Teleskop einen Planeten beobachtet, der wiederholt vor Trappist-1 vorbeizieht.

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

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

„Wir werden vor allem die sehr wichtige Grundlagenarbeit für zukünftige Teleskope leisten“, prognostizierte Dr. Rathcke. „Ich wäre sehr überrascht, wenn JWST Biosignatur-Erkennungen anbieten würde, aber ich hoffe, dass ich korrigiert werde. Ich meine, das ist im Grunde der Grund, warum ich diese Arbeit mache.