August 14, 2022

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Das Webb-Teleskop wird dort draußen nach Lebenszeichen suchen

Das Webb-Teleskop wird dort draußen nach Lebenszeichen suchen

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

Die Bestimmung der Atmosphäre in einem anderen Sonnensystem wäre cool genug. Aber es besteht die – wenn auch kleine – Chance, dass eine dieser Atmosphären eine sogenannte Biosignatur aufweist: einen Bezug zum Leben selbst.

„Ich denke, wir werden in der Lage sein, Planeten zu finden, die wir für interessant halten – Sie wissen schon, gute Aussichten für Leben“, sagte Megan Mansfield, Astronomin an der University of Arizona. „Aber wir werden nicht unbedingt in der Lage sein, Leben sofort zu identifizieren.“

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 den Mars noch nicht gefunden. Aber es ist denkbar, dass sich das Leben unter der Oberfläche des roten Planeten versteckt oder auf dem Mond von Jupiter oder Saturn darauf wartet, entdeckt zu werden. Einige Gelehrte haben ihre Hoffnung darauf geäußert VenusTrotz der sengenden Atmosphäre von Schwefeldioxidwolken könnte es die Heimat der Kinder der Venus sein.

Auch wenn sich herausstellt, dass die Erde der einzige Planet in unserem Sonnensystem ist, der Leben beherbergt, gibt es in vielen anderen Sonnensystemen des Universums sogenannte Exoplaneten.

1995 entdeckten Schweizer Astronomen den ersten Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist. Der als 51 Pegasi b bekannte Exoplanet entpuppt sich als hoffnungslose Heimat für Leben – ein aufgeblähter Gasriese, größer als Jupiter und 1800 Grad Fahrenheit warm.

In den folgenden Jahren fanden Wissenschaftler heraus Mehr als 5.000 andere Exoplaneten. Einige sind sehr erdähnlich – ungefähr gleich groß, bestehen aus Gestein statt aus Gas und kreisen in der „Goldlöckchen-Zone“ um ihren Stern, nicht zu nahe am Kochen, aber nicht weit genug, um einzufrieren.

Leider hat die relativ geringe Größe dieser Exoplaneten es bisher extrem schwierig gemacht, sie zu untersuchen. 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 Ich reiste Eine Million Meilen von der Erde entfernt tritt es in seine Umlaufbahn um die Sonne ein. Dort schützt ein Schild seinen 21-Fuß-Spiegel vor jeglicher Hitze oder Licht von der Sonne oder dem Boden. In dieser tiefen Dunkelheit kann das Teleskop schwache, entfernte Lichtstrahlen erkennen, einschließlich solcher, die neue Details über entfernte Planeten enthüllen könnten.

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Dr. Mansfield sagte, das Weltraumteleskop sei „das erste große Weltraumobservatorium, das die Untersuchung der Atmosphären von Exoplaneten in seinem Design berücksichtigt“.

NASA-Ingenieure begannen Mitte Juni mit der Aufnahme von Bildern einer Reihe von Objekten mit dem Webb-Teleskop und werden ihre ersten Bilder am 12. Juli der Öffentlichkeit zugänglich machen.

Die Exoplaneten werden in dieser ersten Reihe von Bildern zu sehen sein, sagte Eric Smith, der Chefwissenschaftler des Programms. Da das Teleskop eine relativ kurze Zeit mit der Beobachtung der Exoplaneten verbringen wird, betrachtete Dr. Smith diese ersten Bilder als einen „schnellen und schmutzigen“ Blick auf die Leistungsfähigkeit des Teleskops.

Diese schnellen Blicke werden auf eine Reihe viel längerer Beobachtungen folgen, die im Juli beginnen und ein klareres Bild der Exoplaneten liefern.

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

„Es ist ein idealer 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 die Trappist-1-Planeten beobachten wird.

Da Trappist-1 ein kleiner, kalter Stern ist, liegt seine bewohnbare Zone näher als in unserem 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 vor Trappist-1 vorbeiziehen, können Wissenschaftler eine grundlegende, aber entscheidende Frage beantworten: Hat einer von ihnen eine Atmosphäre?

„Wenn es keine Luft hätte, wäre es nicht bewohnbar, selbst wenn es sich in einem bewohnbaren Gebiet befände“, sagte Nicole Lewis, Astronomin an der Cornell University.

Dr. Lewis und andere Astronomen wären nicht überrascht, keine Atmosphären rund um den Planeten Trappist-1 zu finden. Selbst wenn die Planeten bei ihrer Entstehung Atmosphären entwickelt hatten, hat der Stern sie möglicherweise vor langer Zeit mit Ultraviolett- und Röntgenstrahlen weggeblasen.

„Es ist möglich, dass sie die gesamte Atmosphäre eines Planeten entfernen, bevor er überhaupt eine Chance hat, Leben zu erschaffen“, sagte Dr. Mansfield. „Das ist die erste Frage, die wir hier zu beantworten versuchen: ob diese Planeten lange genug eine Atmosphäre haben könnten, um Leben entwickeln zu können.“

Ein Planet, der vor Trappist-1 vorbeizieht, erzeugt einen kleinen Schatten, aber der Schatten ist zu klein, um von einem Weltraumteleskop aufgenommen zu werden. Stattdessen erkennt das Teleskop eine leichte Abschwächung des Sternlichts.

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„Es ist, als würde man mit geschlossenen Augen auf eine Sonnenfinsternis schauen“, sagte Jacob Lustig-Jeiger, ein Astronom, der ein Postdoktorandenstipendium am Johns Hopkins Laboratory of Applied Physics absolvierte. „Vielleicht haben Sie das Gefühl, dass das Licht gedämpft ist.“

Ein Planet mit Atmosphäre würde den Stern dahinter anders verdunkeln als ein nackter Planet. Ein Teil des Lichts des Sterns geht direkt durch die Atmosphäre, aber Gase absorbieren Licht bei bestimmten Wellenlängen. Wenn Astronomen nur Sternenlicht bei diesen Wellenlängen betrachten würden, würde der Planet Trappist-1 noch mehr verdunkeln.

Das Teleskop wird diese Trappist-1-Beobachtungen zurück zur Erde senden. Und dann erhalten Sie eine E-Mail wie: „Hey, Ihre Daten sind verfügbar“, sagte Dr. Mansfield.

Aber das Licht von Trappist-1 wird so schwach sein, dass es einige Zeit dauern wird, es zu verstehen. „Ihr Auge ist daran gewöhnt, mit Millionen von Photonen pro Sekunde umzugehen“, sagte Dr. Smith. „Aber diese Teleskope sammeln nur ein paar Photonen pro Sekunde.“

Bevor Dr. Mansfield oder ihre Astronomenkollegen die Exoplaneten analysieren können, die vor Trappist-1 vorbeiziehen, müssen sie sie zunächst von den winzigen Fluktuationen unterscheiden, die durch den speziellen Mechanismus des Teleskops erzeugt werden.

„Ein Großteil der Arbeit, die ich tatsächlich tue, besteht darin sicherzustellen, dass wir alle seltsamen Dinge, die das Teleskop tut, sorgfältig korrigieren, damit wir diese sehr kleinen Signale sehen können“, sagte Dr. Mansfield.

Am Ende dieser Bemühungen könnten Dr. Mansfield und ihre Kollegen eine Atmosphäre um Trappist-1 entdecken. Aber dieses Ergebnis allein wird die Natur der Atmosphäre nicht enthüllen. Es könnte reich an Stickstoff und Sauerstoff sein, wie es auf der Erde der Fall ist, oder der giftigen Suppe aus Kohlendioxid und Schwefelsäure auf der Venus ähneln. Oder es könnte eine Kombination sein, die Wissenschaftler noch nie zuvor gesehen haben.

„Wir haben keine Ahnung, woraus diese Atmosphären bestehen“, sagte Alexander Rathke, Astronom an der Technischen Universität Dänemark. „Wir haben Ideen und Simulationen und all das Zeug, aber wir haben wirklich keine Ahnung. Wir müssen hingehen und nachsehen.“

Das James-Webb-Weltraumteleskop, manchmal auch als JWST bezeichnet, könnte sich als leistungsfähig genug erweisen, um die spezifischen Komponenten der Atmosphäre von Exoplaneten zu bestimmen, da jeder Partikeltyp einen anderen Wellenlängenbereich des Lichts absorbiert.

Aber diese Entdeckungen werden vom Wetter auf den äußeren Planeten abhängen. Eine helle, reflektierende Wolkendecke könnte jedes Sternenlicht daran hindern, in die Atmosphäre eines Exoplaneten einzudringen, und jeden Versuch, Weltraumluft zu finden, zunichte machen.

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

Wenn das Wetter mitspielt, sind Astronomen besonders daran interessiert herauszufinden, ob Exoplaneten Wasser in ihrer Atmosphäre haben. Zumindest auf der Erde ist Wasser eine Grundvoraussetzung für die Biologie. „Wir denken, dass dies wahrscheinlich ein guter Ausgangspunkt für die Suche nach Leben wäre“, sagte Dr. Mansfield.

Aber eine wässrige Atmosphäre bedeutet nicht unbedingt, dass ein Exoplanet Leben beherbergt. Um sicherzugehen, dass ein Planet lebt, müssen Wissenschaftler einen Biomarker, ein Molekül oder eine Gruppe mehrerer Moleküle entdecken, die charakteristischerweise von lebenden Organismen gebildet werden.

Wissenschaftler diskutieren immer noch, was eine zuverlässige Biosignatur ist. Die Erdatmosphäre ist insofern einzigartig in unserem Sonnensystem, als sie viel Sauerstoff enthält, der größtenteils das Produkt von Pflanzen und Algen ist. Sauerstoff kann aber auch ohne die Hilfe von Leben entstehen, wenn sich Wassermoleküle in der Luft spalten. Ebenso kann Methan von lebenden Mikroben, aber auch von Vulkanen freigesetzt werden.

Möglicherweise gibt es ein gewisses Gasgleichgewicht, das einen deutlichen Vitalabdruck liefern kann, der ohne die Hilfe des Lebens nicht aufrechtzuerhalten ist.

„Wir brauchen sehr günstige Szenarien, um diese lebenswichtigen Fingerabdrücke zu finden“, sagte Dr. Rathcke. „Ich sage nicht, dass es nicht möglich ist. Ich denke nur, dass es weit hergeholt ist. Wir müssen sehr viel Glück haben.“

Um ein solches Gleichgewicht zu finden, müsste das Webb-Teleskop einen Planeten beobachten, der häufig vor Trappist-1 vorbeizieht, sagte Joshua Krissansen-Totton, ein Planetenwissenschaftler an der University of California in Santa Cruz.

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

Es ist möglich, dass das James-Webb-Weltraumteleskop einfach keine biometrischen Daten finden kann. Diese Mission muss möglicherweise mehr als ein Jahrzehnt später auf die nächste Generation von Weltraumteleskopen warten. Es würde diese Exoplaneten genauso untersuchen, wie Menschen Mars oder Venus am Nachthimmel betrachten: indem sie die Reflexion des Sternenlichts auf ihnen vor dem schwarzen Hintergrund des Weltraums beobachten, anstatt wie sie vor einem Stern vorbeiziehen.

„Meistens werden wir die sehr wichtigen Grundlagenarbeiten für zukünftige Teleskope leisten“, prognostizierte Dr. Rathcke. „Ich wäre sehr überrascht, wenn JWST biometrische Fingerabdruckerkennung einführen würde, aber ich hoffe, korrigiert zu werden. Ich meine, das ist im Grunde das, wofür ich diese Arbeit mache.“