In den letzten Jahrzehnten haben Astronomen die Existenz von Tausenden von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems bestätigt. Im Laufe der Zeit hat sich der Prozess von der Entdeckung zur Charakterisierung verlagert, in der Hoffnung herauszufinden, welche dieser Planeten das Leben unterstützen können. Derzeit sind diese Methoden indirekter Natur, was bedeutet, dass Astronomen nur dann schließen können, wenn ein Planet bewohnbar ist, basierend darauf, wie stark er der Erde ähnelt.
Um die Suche nach „potenziell bewohnbaren“ Exoplaneten zu unterstützen, hat ein Team von Cornell-Forschern kürzlich fünf Modelle erstellt, die wichtige Punkte in der Entwicklung der Erde darstellen. Diese „Schnappschüsse“, wie die Erde während verschiedener geologischer Epochen aussah, könnten die Suche nach außerirdischem Leben erheblich verbessern, indem sie ein vollständigeres Bild davon liefern, wie ein lebender Planet aussehen könnte.
Die Studie, die kürzlich in der Astrophysical Journal Letterswurde von Lisa Kaltenegger geleitet - einer außerordentlichen Professorin für Astronomie an der Cornell University und Direktorin des Carl Sagan Institute (CSI). Anhand früherer geologischer Epochen entwickelten Kaltenegger und ihr Team Spektralvorlagen, die Teleskope der nächsten Generation bei der Suche nach „erdähnlichen“ Planeten unterstützen.
Dazu gehören die James Webb Weltraumteleskop (JWST) und die Weitfeld-Infrarot-Weltraumteleskop (WFIRST), das 2021 bzw. 2024 im Weltraum eingesetzt wird. Wie Kaltenegger kürzlich in einer Pressemitteilung von CSI erklärte:
"Mit dieser neuen Generation weltraum- und bodengestützter Teleskope in Verbindung mit unseren Modellen können wir Planeten wie unsere Erde in einer Entfernung von etwa 50 bis 100 Lichtjahren identifizieren."
„Mit unserer eigenen Erde als Schlüssel haben wir fünf verschiedene Erdepochen modelliert, um eine Vorlage dafür zu liefern, wie wir eine potenzielle Exo-Erde charakterisieren können - von einer jungen, präbiotischen Erde bis zu unserer modernen Welt. Mit den Modellen können wir auch untersuchen, an welchem Punkt der Erdentwicklung ein entfernter Beobachter das Leben auf den „hellblauen Punkten“ des Universums und anderen Welten wie diesen identifizieren kann. “
Um alles zusammenzufassen, sind Astronomen derzeit darauf beschränkt, nach Planeten zu suchen, die der Erde ähneln, hauptsächlich weil die Erde der einzige bekannte Planet ist, der das Leben unterstützt. Die Bedingungen, die wir heute auf der Erde sehen, sind jedoch nur eine Momentaufnahme davon, wie unser Planet im Laufe der Zeit ausgesehen hat. In der Vergangenheit waren Geologie und Atmosphäre der Erde sehr unterschiedlich, was eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des irdischen Lebens spielte.
Für ihre Studie haben Kaltenegger und ihr Team atmosphärische Modelle erstellt, die dem entsprechen, wie die Erde vor 3,9 Milliarden Jahren aussah. Diese „präbiotische Erde“ hatte eine Atmosphäre, die größtenteils aus Kohlendioxid bestand. Ein zweites Modell, "anoxische Erde", zeigt, wie unser Planet vor 3,5 Milliarden Jahren aussah, als die Atmosphäre frei von Sauerstoff war.
Drei weitere Modelle zeigen den Übergang der Erde in die Gegenwart, zu dem der Aufstieg photosynthetischer Organismen (vor ca. 3,5 Milliarden Jahren) und das „Great Oxygenation Event“ (vor ca. 2,4 bis 2 Milliarden Jahren) gehörten. Während dieser Epochen stieg der Sauerstoffgehalt in unserer Atmosphäre allmählich von einer Konzentration von 0,2% auf heutige Werte von 21%. Wie Kaltenegger sagte:
„Unsere Erde und die Luft, die wir atmen, haben sich seit der Entstehung der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren drastisch verändert. Zum ersten Mal befasst sich dieses Papier damit, wie Astronomen, die versuchen, Welten wie unsere zu finden, junge bis moderne erdähnliche Planeten auf der Durchreise entdecken können die Geschichte unserer eigenen Erde als Vorlage. “
Während es nicht genau bekannt ist, wann die Erde eine Atmosphäre mit reichlich Sauerstoff erreicht hat, bieten diese Modelle einen Rahmen dafür, welche atmosphärischen Merkmale vor Milliarden von Jahren auf der Erde vorhanden waren. Basierend auf diesen Vorlagen zeigen Exoplaneten mit einem atmosphärischen Gehalt von weniger als 1% Sauerstoff wahrscheinlich Anzeichen für die Entstehung von Biologie, Ozon und Methan.
Neben Weltraumteleskopen wie JWST und WFIRST gibt es auch bodengestützte Teleskope wie das Extrem Large Telescope (ELT) der ESO, das 30-Meter-Teleskop (TMT) und das Giant Magellan Telescope (GMT). Mit ihrer hochempfindlichen und adaptiven Optik können diese Teleskope direkte bildgebende Untersuchungen entfernter Exoplaneten durchführen und deren Atmosphäre charakterisieren.
Mit diesen Instrumenten können Astronomen kleinere, felsige Exoplaneten mit engeren Umlaufbahnen (auch als "erdähnliche" Planeten bezeichnet) beobachten, wenn sie vor ihren Wirtssternen (sogenannte Transit-Methode) durchqueren. Dabei passiert Sonnenlicht ihre Atmosphäre und erzeugt Spektren, anhand derer Astronomen bestimmen, welche Chemikalien vorhanden sind.
"Sobald der Exoplanet einen Teil seines Wirtssterns durchläuft und blockiert, können wir seine atmosphärischen spektralen Signaturen entschlüsseln", sagte Kaltenegger. "Mit der geologischen Geschichte der Erde als Schlüssel können wir die chemischen Lebenszeichen auf den entfernten Exoplaneten leichter erkennen."
Wenn die geologische Geschichte der Erde ein Hinweis ist, durchlaufen Planeten, die sich durch das Leben unterstützen können, einige ernsthafte Übergänge, auch weil die Entstehung des Lebens die Evolution des Planeten beeinflusst. In dieser Hinsicht haben Qualifikationsmerkmale wie „erdähnlich“ und „potenziell bewohnbar“ eine zeitliche Dimension, die eine Reihe von Bedingungen im Laufe der Zeit umfasst.
