Trotz der Tausenden von Exoplaneten, die in den letzten Jahren von Astronomen entdeckt wurden, ist es eine große Herausforderung, festzustellen, ob einer von ihnen bewohnbar ist oder nicht. Da wir diese Planeten nicht direkt untersuchen können, sind Wissenschaftler gezwungen, nach indirekten Hinweisen zu suchen. Diese werden als Biosignaturen bezeichnet und bestehen aus den chemischen Nebenprodukten, die wir mit organischem Leben in der Atmosphäre eines Planeten verbinden.
Eine neue Studie eines Teams von NASA-Wissenschaftlern schlägt eine neue Methode vor, um nach möglichen Lebenszeichen jenseits unseres Sonnensystems zu suchen. Der Schlüssel, den sie empfehlen, besteht darin, häufige Sternstürme von kühlen, jungen Zwergsternen auszunutzen. Diese Stürme schleudern riesige Wolken aus Sternmaterial und Strahlung in den Weltraum, interagieren mit Exoplanetenatmosphären und erzeugen Biosignaturen, die nachgewiesen werden können.
Die Studie mit dem Titel „Atmosphärische Leuchtfeuer des Lebens von Exoplaneten um G- und K-Sterne“ erschien kürzlich in Naturwissenschaftliche Berichte. Unter der Leitung von Vladimir S. Airapetian, einem leitenden Astrophysiker der Heliophysics Science Division (HSD) am Goddard Space Flight Center der NASA, bestand das Team aus Mitgliedern des Langley Research Center der NASA, der Science Systems and Applications Incorporated (SSAI) und der American University .
Traditionell haben Forscher in Exoplanetenatmosphären nach Anzeichen von Sauerstoff und Methan gesucht, da dies bekannte Nebenprodukte organischer Prozesse sind. Im Laufe der Zeit sammeln sich diese Gase an und erreichen Mengen, die spektroskopisch nachgewiesen werden können. Dieser Ansatz ist jedoch zeitaufwändig und erfordert, dass Astronomen Tage damit verbringen, Spektren von einem entfernten Planeten aus zu beobachten.
Laut Airapetian und seinen Kollegen ist es jedoch möglich, auf potenziell bewohnbaren Welten nach gröberen Signaturen zu suchen. Dieser Ansatz würde sich auf vorhandene Technologien und Ressourcen stützen und erheblich weniger Zeit in Anspruch nehmen. Wie Airapetian in einer Pressemitteilung der NASA erklärte:
„Wir sind auf der Suche nach Molekülen, die sich aus den Grundvoraussetzungen des Lebens ergeben - insbesondere nach molekularem Stickstoff, der 78 Prozent unserer Atmosphäre ausmacht. Dies sind grundlegende Moleküle, die biologisch freundlich sind und eine starke Infrarotemissionsleistung haben, was unsere Chance erhöht, sie zu entdecken. “
Airapetian und sein Team haben das Leben auf der Erde als Vorlage verwendet und eine neue Methode entwickelt, um Nebenprodukte von Wasserdampf, Stickstoff und Sauerstoffgas in Exoplanetenatmosphären zu untersuchen oder zu erkennen. Der eigentliche Trick besteht jedoch darin, die extremen Weltraumwetterereignisse zu nutzen, die bei aktiven Zwergsternen auftreten. Diese Ereignisse, die Planetenatmosphären Strahlungsausbrüchen aussetzen, verursachen chemische Reaktionen, die Astronomen wahrnehmen können.
Wenn es um Sterne wie unsere Sonne geht, einen gelben Zwerg vom Typ G, sind solche Wetterereignisse häufig, wenn sie noch jung sind. Es ist jedoch bekannt, dass andere gelbe und orangefarbene Sterne Milliarden von Jahren aktiv bleiben und Stürme energetischer, geladener Teilchen erzeugen. Und Sterne vom Typ M (Roter Zwerg), der häufigste Typ im Universum, bleiben während ihres langen Lebens aktiv und setzen ihre Planeten regelmäßig Mini-Fackeln aus.
Wenn diese einen Exoplaneten erreichen, reagieren sie mit der Atmosphäre und verursachen die chemische Dissoziation von Stickstoff (N²) und Sauerstoff (O²) in einzelne Atome und Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff. Die abgebauten Stickstoff- und Sauerstoffatome verursachen dann eine Kaskade chemischer Reaktionen, die Hydroxyl (OH), mehr molekularen Sauerstoff (O) und Stickoxid (NO) produzieren - was Wissenschaftler als „atmosphärische Leuchtfeuer“ bezeichnen.
Wenn Sternenlicht auf die Atmosphäre eines Planeten trifft, absorbieren diese Leuchtfeuermoleküle die Energie und senden Infrarotstrahlung aus. Durch die Untersuchung der jeweiligen Wellenlängen dieser Strahlung können Wissenschaftler feststellen, welche chemischen Elemente vorhanden sind. Die Signalstärke dieser Elemente ist auch ein Hinweis auf den atmosphärischen Druck. Zusammengenommen ermöglichen diese Messwerte den Wissenschaftlern, die Dichte und Zusammensetzung einer Atmosphäre zu bestimmen.
Seit Jahrzehnten verwenden Astronomen auch ein Modell, um zu berechnen, wie Ozon (O³) in der Erdatmosphäre aus Sauerstoff gebildet wird, der der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Mit demselben Modell - und in Kombination mit Weltraumwetterereignissen, die von kühlen, aktiven Sternen erwartet werden - wollten Airapetian und seine Kollegen berechnen, wie viel Stickoxid und Hydroxyl sich in einer erdähnlichen Atmosphäre bilden und wie viel Ozon zerstört werden würde .
Um dies zu erreichen, konsultierten sie Daten der NASA-Mission Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics Dynamics (TIMED), die seit Jahren die Bildung von Leuchtfeuern in der Erdatmosphäre untersucht. Insbesondere verwendeten sie Daten aus der Messung der Atmosphäre mithilfe des SABRE-Instruments (Broadband Emission Radiometry), mit dem sie simulieren konnten, wie Infrarotbeobachtungen dieser Leuchtfeuer in Exoplanetenatmosphären auftreten könnten.
Martin Mlynczak, stellvertretender Hauptforscher von SABRE am Langley Research Center der NASA und Mitautor des Papiers, erklärte:
„Mit dem, was wir über die von der Erdatmosphäre emittierte Infrarotstrahlung wissen, wollen wir Exoplaneten betrachten und herausfinden, welche Art von Signalen wir erfassen können. Wenn wir Exoplaneten-Signale in fast demselben Verhältnis wie die der Erde finden, können wir sagen, dass der Planet ein guter Kandidat für die Aufnahme von Leben ist. "
Sie fanden heraus, dass die Häufigkeit intensiver Sternstürme in direktem Zusammenhang mit der Stärke der von den atmosphärischen Leuchtfeuern kommenden Wärmesignale stand. Je mehr Stürme auftreten, desto mehr Leuchtfeuermoleküle werden erzeugt, die ein Signal erzeugen, das stark genug ist, um mit einem Weltraumteleskop von der Erde aus beobachtet zu werden, und das auf nur zwei Stunden Beobachtungszeit basiert.
Sie fanden auch heraus, dass diese Art von Methode Exoplaneten aussortieren kann, die kein erdähnliches Magnetfeld besitzen und auf natürliche Weise mit geladenen Teilchen der Sonne interagieren. Das Vorhandensein eines solchen Feldes stellt sicher, dass die Atmosphäre eines Planeten nicht abgestreift wird und daher für die Bewohnbarkeit von wesentlicher Bedeutung ist. Wie Airapetian erklärte:
„Ein Planet braucht ein Magnetfeld, das die Atmosphäre abschirmt und den Planeten vor Sternstürmen und Strahlung schützt. Wenn Sternwinde nicht so extrem sind, dass das Magnetfeld eines Exoplaneten nahe seiner Oberfläche komprimiert wird, verhindert das Magnetfeld das Entweichen der Atmosphäre, sodass sich mehr Partikel in der Atmosphäre befinden und ein stärkeres Infrarotsignal entsteht. “
Dieses neue Modell ist aus mehreren Gründen von Bedeutung. Einerseits zeigt es, wie Forschungen, die detaillierte Untersuchungen der Erdatmosphäre und ihrer Wechselwirkung mit dem Weltraumwetter ermöglicht haben, jetzt für die Untersuchung von Exoplaneten eingesetzt werden. Es ist auch aufregend, weil es neue Studien zur Bewohnbarkeit von Exoplaneten um bestimmte Klassen von Sternen ermöglichen könnte - von vielen Arten von gelben und orangefarbenen Sternen bis zu kühlen roten Zwergsternen.
Rote Zwerge sind die häufigste Art von Sternen im Universum und machen 70% der Sterne in Spiralgalaxien und 90% in elliptischen Galaxien aus. Basierend auf jüngsten Entdeckungen schätzen Astronomen außerdem, dass rote Zwergsterne sehr wahrscheinlich Systeme von felsigen Planeten haben. Das Forschungsteam geht auch davon aus, dass Weltrauminstrumente der nächsten Generation wie das James Webb-Weltraumteleskop die Wahrscheinlichkeit erhöhen werden, mit diesem Modell bewohnbare Planeten zu finden.
William Danchi, ein leitender Astrophysiker und Co-Autor der Studie von Goddard, sagte:
„Neue Erkenntnisse über das Lebenspotential von Exoplaneten hängen entscheidend von der interdisziplinären Forschung ab, bei der Daten, Modelle und Techniken aus den vier Wissenschaftsabteilungen der NASA Goddard verwendet werden: Heliophysik, Astrophysik, Planeten- und Geowissenschaften. Diese Mischung bringt einzigartige und leistungsstarke neue Wege für die Exoplanetenforschung hervor. “
Bis wir Exoplaneten direkt untersuchen können, ist jede Entwicklung, die Biosignaturen erkennbarer und leichter zu erkennen macht, unglaublich wertvoll. Project Blue und Breakthrough Starshot hoffen, in den kommenden Jahren die ersten direkten Studien zum Alpha Centauri-System durchführen zu können. In der Zwischenzeit sind verbesserte Modelle, mit denen wir unzählige andere Sterne auf potenziell bewohnbare Exoplaneten untersuchen können, golden!
Sie werden nicht nur unser Verständnis dafür, wie häufig solche Planeten sind, erheblich verbessern, sondern uns auch in Richtung einer oder mehrerer Erd 2.0s weisen!
