Mit Blick auf die Zukunft setzen die NASA und andere Weltraumagenturen große Hoffnungen auf das Gebiet der außersolaren Planetenforschung. In den letzten zehn Jahren hat die Zahl der bekannten Exoplaneten knapp 4000 erreicht, und es wird erwartet, dass viele weitere gefunden werden, sobald die Teleskope der nächsten Generation in Betrieb genommen werden. Und da so viele Exoplaneten untersucht werden müssen, haben sich die Forschungsziele langsam vom Entdeckungsprozess weg und hin zur Charakterisierung verschoben.
Leider sind Wissenschaftler immer noch von der Tatsache geplagt, dass das, was wir als „bewohnbare Zone“ betrachten, vielen Annahmen unterliegt. Vor diesem Hintergrund hat ein internationales Forscherteam kürzlich ein Papier veröffentlicht, in dem aufgezeigt wurde, wie zukünftige Exoplanetenuntersuchungen über erdanaloge Beispiele hinaus als Anzeichen für Bewohnbarkeit aussehen und einen umfassenderen Ansatz verfolgen könnten.
Das Papier mit dem Titel „Vorhersagen für bewohnbare Zonen und wie man sie testet“ wurde kürzlich online veröffentlicht und als Weißbuch an die Astro 2020 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics übermittelt. Das Team dahinter wurde von Ramses M. Ramirez, einem Forscher des Earth-Life Science Institute (ELSI) und des Space Science Institute (SSI), geleitet, dem Co-Autoren und Mitunterzeichner von 23 Universitäten und Institutionen beitraten.
Ziel der dekadischen Umfrage ist es, bereits erzielte Fortschritte in verschiedenen Forschungsbereichen zu berücksichtigen und Prioritäten für das kommende Jahrzehnt festzulegen. Daher bietet die Umfrage der NASA, der National Space Foundation (NSF) und dem Energieministerium wichtige Leitlinien für die Planung ihrer Forschungsziele für Astronomie und Astrophysik für die Zukunft.
Gegenwärtig konzentrieren sich viele dieser Ziele auf die Untersuchung von Exoplaneten, die in den kommenden Jahren vom Einsatz von Teleskopen der nächsten Generation wie dem profitieren werden James Webb Weltraumteleskop (JWST) und die Weitfeld-Infrarot-Weltraumteleskop (WFIRST) sowie bodengestützte Observatorien wie das Extrem Large Telescope (ELT), das 30-Meter-Teleskop und das Giant Magellan Telescope (GMT).
Eine der übergeordneten Prioritäten der Exoplanetenforschung ist die Suche nach Planeten, auf denen außerirdisches Leben existieren könnte. In dieser Hinsicht bezeichnen Wissenschaftler Planeten als „potenziell bewohnbar“ (und daher nachträglich beobachtbar), basierend darauf, ob sie innerhalb der bewohnbaren Zonen ihrer Sterne (HZ) kreisen oder nicht. Aus diesem Grund ist es ratsam, einen Blick auf die Definition einer HZ zu werfen.
Wie Ramirez und seine Kollegen in ihrem Artikel angedeutet haben, ist eines der Hauptprobleme bei der Bewohnbarkeit von Exoplaneten die Höhe der getroffenen Annahmen. Um es abzubauen, gehen die meisten Definitionen von HZ von der Anwesenheit von Wasser auf der Oberfläche aus, da dies das einzige Lösungsmittel ist, von dem derzeit bekannt ist, dass es das Leben beherbergt. Dieselben Definitionen gehen davon aus, dass das Leben einen felsigen Planeten mit tektonischer Aktivität erfordert, der einen entsprechend hellen und warmen Stern umkreist.
Neuere Forschungen haben jedoch viele dieser Annahmen in Zweifel gezogen. Dies schließt Studien ein, die zeigen, dass Luftsauerstoff nicht automatisch das Vorhandensein von Leben bedeutet - insbesondere wenn dieser Sauerstoff das Ergebnis chemischer Dissoziation und nicht der Photosynthese ist. Andere Untersuchungen haben gezeigt, wie das Vorhandensein von Sauerstoffgas in den frühen Phasen der Evolution eines Planeten den Aufstieg grundlegender Lebensformen verhindern kann.
Es gibt auch neuere Studien, die gezeigt haben, dass Plattentektonik möglicherweise nicht notwendig ist, damit Leben entsteht, und dass sogenannte „Wasserwelten“ das Leben möglicherweise nicht unterstützen können (aber immer noch können). Darüber hinaus haben Sie theoretische Arbeiten, die darauf hindeuten, dass sich das Leben in Meeren von Methan oder Ammoniak auf anderen Himmelskörpern entwickeln könnte.
Das Schlüsselbeispiel hierfür ist der Saturnmond Titan, dessen Umgebung reich an präbiotischen Bedingungen und organischer Chemie ist - von denen einige Wissenschaftler glauben, dass sie exotische Lebensformen unterstützen könnten. Am Ende suchen Wissenschaftler nach bekannten Biomarkern wie Wasser und Kohlendioxid, weil sie mit dem Leben auf der Erde in Verbindung gebracht werden, dem einzigen bekannten Beispiel für einen lebenstragenden Planeten.
Aber wie Ramirez dem Space Magazine per E-Mail erklärte, ist diese Denkweise (in der Erdanaloga als lebensfähig angesehen werden) immer noch mit Problemen behaftet:
„Die klassische Definition der bewohnbaren Zone ist fehlerhaft, da ihre Konstruktion hauptsächlich auf erdzentrierten klimatologischen Argumenten basiert, die möglicherweise auf andere potenziell bewohnbare Planeten anwendbar sind oder nicht. Beispielsweise wird davon ausgegangen, dass CO2-Atmosphären mit mehreren Balken auf potenziell bewohnbaren Planeten nahe der Außenkante der bewohnbaren Zone unterstützt werden können. Solche hohen CO2-Werte sind jedoch für Pflanzen und Tiere auf der Erde toxisch. Ohne ein besseres Verständnis der Lebensgrenzen wissen wir daher nicht, wie vernünftig diese Annahme ist.
„Das klassische HZ geht auch davon aus, dass CO2 und H2O die wichtigsten Treibhausgase sind, die potenziell bewohnbare Planeten erhalten. In mehreren Studien der letzten Jahre wurden jedoch alternative HZ-Definitionen entwickelt, bei denen verschiedene Kombinationen von Treibhausgasen verwendet wurden, einschließlich solcher, die auf der Erde relativ gering sein könnten wichtig für andere potenziell bewohnbare Planeten. “
In einer früheren Studie von Dr. Ramirez wurde gezeigt, wie das Vorhandensein von Methan und Wasserstoffgas ebenfalls dazu führen kann
Glücklicherweise können diese Definitionen dank des Einsatzes von Teleskopen der nächsten Generation getestet werden. Wissenschaftler werden nicht nur in der Lage sein, einige der langjährigen Annahmen zu testen, auf denen HZs basieren.
„Teleskope der nächsten Generation könnten die bewohnbare Zone testen, indem sie nach einem vorhergesagten Anstieg des atmosphärischen CO2-Drucks suchen, je weiter entfernt potenziell bewohnbare Planeten von ihren Sternen entfernt sind. Dies würde auch prüfen, ob der Carbonat-Silikat-Kreislauf, von dem viele glauben, dass er unseren Planeten für einen Großteil seiner Geschichte bewohnbar gemacht hat, ein universeller Prozess ist oder nicht. “
Bei diesem Prozess werden Silikatgesteine durch Verwitterung und Erosion in Kohlenstoffgesteine umgewandelt, während Kohlenstoffgesteine durch vulkanische und geologische Aktivität in Silikatgesteine umgewandelt werden. Dieser Zyklus gewährleistet die langfristige Stabilität der Erdatmosphäre, indem der CO2-Gehalt über die Zeit konstant gehalten wird. Es zeigt auch, wie wichtig die Wasser- und Plattentektonik für das Leben ist, wie wir es kennen.
Diese Art von Zyklus kann jedoch nur auf Planeten existieren, die Land haben, was „Wasserwelten“ effektiv ausschließt. Es wird angenommen, dass diese Exoplaneten - die häufig bei Sternen vom Typ M (Roter Zwerg) vorkommen - bis zu 50 Massen-% Wasser enthalten. Mit dieser Wassermenge auf ihren Oberflächen haben „Wasserwelten“ wahrscheinlich dichte Eisschichten an ihrer Kern-Mantel-Grenze, wodurch die hydrothermale Aktivität verhindert wird.
Wie bereits erwähnt, gibt es einige Untersuchungen, die darauf hinweisen, dass diese Planeten noch bewohnbar sein könnten. Während die Fülle an Wasser die Absorption von Kohlendioxid durch Gesteine verhindern und die vulkanische Aktivität unterdrücken würde, haben Simulationen gezeigt, dass diese Planeten immer noch Kohlenstoff zwischen der Atmosphäre und dem Ozean zirkulieren und so das Klima stabil halten können.
Wenn diese Arten von Ozeanwelten existieren, könnten Wissenschaftler sie durch ihre geringere Planetendichte und Hochdruckatmosphäre nachweisen, sagt Dr. Ramirez. Und dann ist da noch die Frage der verschiedenen Treibhausgase, die je nach Sternentyp nicht immer auf wärmere Planetenatmosphären hinweisen.
"Obwohl Methan unseren Planeten erwärmt, haben wir festgestellt, dass Methan tatsächlich die Oberflächen von Planeten in bewohnbaren Zonen kühlt, die rote Zwergsterne umkreisen!" er sagte. „Wenn dies der Fall ist, könnten hohe atmosphärische Methanmengen auf solchen Planeten gefrorene Bedingungen bedeuten, die möglicherweise für die Aufnahme von Leben ungeeignet sind. Wir werden dies in Planetenspektren beobachten können. “
Apropos rote Zwerge: In der Debatte geht es darum, ob Planeten, die diese Sterne umkreisen, in der Lage sind, eine Atmosphäre aufrechtzuerhalten. In den letzten Jahren wurden mehrere Entdeckungen gemacht, die darauf hindeuten, dass felsige, gezeitengesperrte Planeten um rote Zwergsterne verbreitet sind und dass sie innerhalb der jeweiligen HZs ihrer Sterne kreisen.
Spätere Forschungen haben jedoch die Theorie bestätigt, dass die Instabilität der roten Zwergsterne wahrscheinlich zu Sonneneruptionen führen würde, die alle Planeten, die sie umkreisen, ihrer Atmosphäre berauben würden. Schließlich werfen Ramirez und seine Kollegen die Möglichkeit auf, dass bewohnbare Planeten gefunden werden könnten, die das umkreisen, was (bis vor kurzem) als unwahrscheinlicher Kandidat angesehen wurde.
Dies wären Hauptsequenz-Typ-A-Sterne - wie Sirius A, Altair und Vega -, die als zu hell und heiß angesehen wurden, um für die Bewohnbarkeit geeignet zu sein. Sagte Dr. Ramirez über diese Möglichkeit:
„Ich bin auch daran interessiert herauszufinden, ob Leben auf bewohnbaren Zonenplaneten existiert, die A-Sterne umkreisen. Es wurden nicht viele Bewertungen der Bewohnbarkeit von A-Stern-Planeten veröffentlicht, aber einige Architekturen der nächsten Generation planen, diese zu beobachten. Wir werden bald mehr über die Eignung von A-Sternen für das Leben erfahren. “
Letztendlich werden Studien wie diese, die die Definition der „bewohnbaren Zone“ in Frage stellen, nützlich sein, wenn Missionen der nächsten Generation mit wissenschaftlichen Operationen beginnen. Mit ihren höher auflösenden und empfindlicheren Instrumenten können sie viele der von Wissenschaftlern gemachten Vorhersagen testen und validieren.
Diese Tests werden auch bestätigen, ob Leben dort draußen nur so existieren kann, wie wir es kennen, oder auch jenseits der Parameter, die wir als „erdähnlich“ betrachten. Wie Ramirez hinzufügte, zeigt die von ihm und seinen Kollegen durchgeführte Studie auch, wie wichtig es ist, dass wir weiterhin in fortschrittliche Teleskoptechnologie investieren:
„In unserem Papier wird auch die Bedeutung einer kontinuierlichen Investition in fortschrittliche Teleskoptechnologie hervorgehoben. Wir müssen in der Lage sein, so viele bewohnbare Zonenplaneten wie möglich zu finden und zu charakterisieren, wenn wir unsere Chancen maximieren wollen, Leben zu finden. Ich hoffe jedoch auch, dass unser Papier die Menschen dazu inspiriert, über die nächsten 10 Jahre hinaus zu träumen. Ich glaube wirklich, dass es irgendwann Missionen geben wird, die weitaus leistungsfähiger sind als alles, was wir derzeit entwerfen. Unsere gegenwärtigen Bemühungen sind nur der Anfang eines viel engagierteren Strebens für unsere Spezies. “
Das Decadal Survey Meeting 2020 wird gemeinsam vom Board of Physics and Astronomy und dem Space Studies Board der National Academy of Sciences veranstaltet. In etwa zwei Jahren wird ein Bericht veröffentlicht.
