Eine künstlerische Darstellung des Exoplaneten TRAPPIST-1e. (NASA/JPL-Caltech) Die Zutaten für das Leben sind im gesamten Universum verbreitet . Während die Erde der einzige bekannte Ort im Universum ist, an dem es Leben gibt, ist die Entdeckung von Leben außerhalb der Erde eine Herausforderung Hauptziel von moderne Astronomie Und Planetenwissenschaft .
Wir sind zwei Wissenschaftler, die studieren Exoplaneten Und Astrobiologie . Zum großen Teil dank Teleskopen der nächsten Generation wie James Webb werden Forscher wie wir bald in der Lage sein, die chemische Zusammensetzung der Atmosphären von Planeten um andere Sterne zu messen.
Die Hoffnung besteht darin, dass einer oder mehrere dieser Planeten eine chemische Signatur für Leben aufweisen.
Bewohnbare Exoplaneten
Leben könnte im Sonnensystem existieren wo es flüssiges Wasser gibt – wie etwa in den unterirdischen Grundwasserleitern Mars oder in den Ozeanen von Jupiter Der Mond Europa. Die Suche nach Leben an diesen Orten ist jedoch unglaublich schwierig, da sie schwer zu erreichen sind und die Entdeckung von Leben das Senden einer Sonde erfordern würde, um physische Proben zurückzugeben.
Viele Astronomen glauben, dass es eine gibt Es besteht eine gute Chance, dass Leben auf Planeten existiert, die andere Sterne umkreisen , und es ist möglich, dass das dort ist Das Leben wird zuerst gefunden .
Theoretische Berechnungen deuten darauf hin, dass es rund sind 300 Millionen potenziell bewohnbare Planeten allein in der Milchstraße und mehrere bewohnbare erdgroße Planeten innerhalb von nur 30 Lichtjahren von der Erde entfernt – im Wesentlichen die galaktischen Nachbarn der Menschheit.
Bisher haben Astronomen entdeckte über 5.000 Exoplaneten , darunter Hunderte potenziell bewohnbarer, mit indirekte Methoden die messen, wie ein Planet seinen nahegelegenen Stern beeinflusst. Diese Messungen können Astronomen Informationen über die Masse und Größe eines Exoplaneten liefern, aber sonst nicht viel.
Auf der Suche nach Biosignaturen
Um Leben auf einem fernen Planeten zu entdecken, werden Astrobiologen das Sternenlicht untersuchen interagiert mit der Oberfläche oder Atmosphäre eines Planeten . Wenn die Atmosphäre oder Oberfläche durch Leben verändert wurde, kann das Licht einen Hinweis enthalten, der als „Biosignatur“ bezeichnet wird.
In der ersten Hälfte ihres Bestehens herrschte auf der Erde eine Atmosphäre ohne Sauerstoff, obwohl sie einfaches, einzelliges Leben beherbergte. Die Biosignatur der Erde war in dieser frühen Ära sehr schwach. Das änderte sich schlagartig Vor 2,4 Milliarden Jahren als sich eine neue Algenfamilie entwickelte.
Die Algen nutzen einen Prozess der Photosynthese, der freien Sauerstoff produziert – Sauerstoff, der nicht chemisch an ein anderes Element gebunden ist. Seitdem hinterlässt die mit Sauerstoff gefüllte Erdatmosphäre eine starke und leicht erkennbare Biosignatur auf dem Licht, das sie durchdringt.
Wenn Licht von der Oberfläche eines Materials reflektiert wird oder ein Gas durchdringt, ist es wahrscheinlicher, dass bestimmte Wellenlängen des Lichts in der Oberfläche des Gases oder Materials eingeschlossen bleiben als andere. Dieses selektive Einfangen von Lichtwellenlängen ist der Grund, warum Objekte unterschiedliche Farben haben.
Die Blätter sind grün, weil Chlorophyll Licht im roten und blauen Wellenlängenbereich besonders gut absorbiert. Wenn Licht auf ein Blatt trifft, werden die roten und blauen Wellenlängen absorbiert, sodass größtenteils grünes Licht zurück in Ihre Augen reflektiert wird.
Das Muster fehlenden Lichts wird durch die spezifische Zusammensetzung des Materials bestimmt, mit dem das Licht interagiert. Aus diesem Grund können Astronomen etwas über die Zusammensetzung der Atmosphäre oder Oberfläche eines Exoplaneten erfahren, indem sie im Wesentlichen die spezifische Farbe des Lichts messen, das von einem Planeten ausgeht.
Mit dieser Methode lässt sich das Vorhandensein bestimmter atmosphärischer Gase erkennen, die mit Leben in Verbindung gebracht werden – etwa Sauerstoff oder Methan –, da diese Gase im Licht ganz spezifische Signaturen hinterlassen. Es könnte auch verwendet werden, um eigenartige Farben auf der Oberfläche eines Planeten zu erkennen.
Auf der Erde beispielsweise fangen das Chlorophyll und andere Pigmente, die Pflanzen und Algen für die Photosynthese verwenden, bestimmte Wellenlängen des Lichts ein.
Diese Pigmente erzeugen charakteristische Farben die mit einer empfindlichen Infrarotkamera erkannt werden können. Wenn Sie diese Farbe auf der Oberfläche eines fernen Planeten reflektieren sehen würden, wäre dies möglicherweise ein Hinweis auf das Vorhandensein von Chlorophyll.
Teleskope im Weltraum und auf der Erde
Es braucht ein unglaublich leistungsstarkes Teleskop, um diese subtilen Veränderungen im Licht eines potenziell bewohnbaren Exoplaneten zu erkennen. Derzeit ist das neue Teleskop das einzige Teleskop, das zu einer solchen Leistung fähig ist James Webb-Weltraumteleskop .
Als es begann mit dem wissenschaftlichen Betrieb Im Juli 2022 untersuchte James Webb das Spektrum der Gasriesen-Exoplanet WASP-96b . Das Spektrum zeigte das Vorhandensein von Wasser und Wolken, aber ein so großer und heißer Planet wie WASP-96b ist wahrscheinlich kein Lebensraum für Leben.
Diese frühen Daten zeigen jedoch, dass James Webb in der Lage ist, schwache chemische Signaturen im Licht von Exoplaneten zu erkennen.
In den kommenden Monaten wird Webb seinen Blick auf die Zukunft richten TRAPPIST-1e , ein potenziell bewohnbarer Planet von der Größe der Erde, nur 39 Lichtjahre von der Erde entfernt.
Webb kann nach Biosignaturen suchen, indem er Planeten untersucht, während sie an ihren Wirtssternen vorbeiziehen, und sie einfängt Sternenlicht, das durch die Atmosphäre des Planeten dringt . Da Webb jedoch nicht für die Suche nach Leben konzipiert wurde, ist das Teleskop nur in der Lage, einige der nächstgelegenen potenziell bewohnbaren Welten zu untersuchen.
Es kann auch nur Änderungen an erkennen atmosphärische Konzentrationen von Kohlendioxid, Methan und Wasserdampf . Während bestimmte Kombinationen dieser Gase kann auf Leben hinweisen Webb ist nicht in der Lage, das Vorhandensein von ungebundenem Sauerstoff zu erkennen, der das stärkste Signal für Leben darstellt.
Zu den führenden Konzepten für künftige, noch leistungsfähigere Weltraumteleskope gehört der Plan, das helle Licht des Heimatsterns eines Planeten zu blockieren, um vom Planeten zurückreflektiertes Sternenlicht sichtbar zu machen. Diese Idee ähnelt der Verwendung der Hand, um das Sonnenlicht abzublocken, um etwas in der Ferne besser sehen zu können.
Zukünftige Weltraumteleskope könnten dazu kleine, interne Masken oder große, externe, schirmartige Raumfahrzeuge verwenden. Sobald das Sternenlicht blockiert wird, ist es viel einfacher, das von einem Planeten reflektierte Licht zu untersuchen.
Außerdem befinden sich derzeit drei riesige, bodengestützte Teleskope im Bau, die nach Biosignaturen suchen können: das Riesiges Magellen-Teleskop , Die 30-Meter-Teleskop und das Europäisches Extremgroßteleskop .
Jedes ist weitaus leistungsstärker als bestehende Teleskope auf der Erde, und trotz der Beeinträchtigung der Erdatmosphäre, die das Sternenlicht verzerrt, könnten diese Teleskope in der Lage sein, die Atmosphären der nächstgelegenen Welten nach Sauerstoff zu untersuchen.
Ist es Biologie oder Geologie?
Selbst mit den leistungsstärksten Teleskopen der kommenden Jahrzehnte werden Astrobiologen nur in der Lage sein, starke Biosignaturen zu erkennen, die von Welten erzeugt werden, die durch das Leben vollständig verändert wurden.
Leider können die meisten von terrestrischem Leben freigesetzten Gase auch durch nichtbiologische Prozesse entstehen – Kühe und Vulkane setzen beide Methan frei. Bei der Photosynthese entsteht Sauerstoff, aber auch Sonnenlicht erzeugt Sauerstoff, indem es Wassermoleküle in Sauerstoff und Wasserstoff spaltet.
Da ist ein Es besteht eine gute Chance, dass Astronomen einige Fehlalarme entdecken auf der Suche nach einem fernen Leben. Um falsch positive Ergebnisse auszuschließen, müssen Astronomen einen Planeten von Interesse gut genug verstehen, um zu verstehen, ob er es ist Geologische oder atmosphärische Prozesse könnten eine Biosignatur nachahmen .
Die nächste Generation von Exoplanetenstudien hat das Potenzial, die Messlatte zu überschreiten außergewöhnlicher Beweis benötigt, um die Existenz von Leben zu beweisen. Die ersten Datenveröffentlichungen des James Webb-Weltraumteleskops geben uns einen Eindruck von den aufregenden Fortschritten, die bald bevorstehen. 
Chris Impey , angesehener Universitätsprofessor für Astronomie, Universität von Arizona Und Daniel Apai , Professor für Astronomie und Planetenwissenschaften, Universität von Arizona .
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