Forscher spähen nach Anzeichen von Leben in den Atmosphären von Exoplaneten.

29. Januar 2024

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Korrekturgelesen von Tatyana Woodall, The Ohio State University

Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass die nächste Generation fortschrittlicher Teleskope die Suche nach potenziellem außerirdischem Leben durch genaue Untersuchungen der Atmosphären nahegelegener Exoplaneten verbessern könnte.

In einem kürzlich im Astronomical Journal veröffentlichten Artikel wird detailliert beschrieben, wie ein Team von Astronomen der Ohio State University die Fähigkeit kommender Teleskope untersucht hat, chemische Spuren von Sauerstoff, Kohlendioxid, Methan und Wasser auf 10 felsigen Exoplaneten nachzuweisen. Diese Elemente sind Biosignaturen, die auch in der Erdatmosphäre zu finden sind und wichtige wissenschaftliche Hinweise auf Leben liefern können.

Die Studie ergab, dass diese Teleskope für ein Paar dieser nahegelegenen Welten, Proxima Centauri b und GJ 887 b, sehr gut geeignet sind, das Vorhandensein potenzieller Biosignaturen nachzuweisen. Von den beiden zeigen die Ergebnisse, dass die Maschinen nur Kohlendioxid auf Proxima Centauri b nachweisen könnten, wenn es vorhanden wäre. Obwohl noch kein Exoplanet gefunden wurde, der genau den frühen Lebensbedingungen der Erde entspricht, legen diese Arbeiten nahe, dass solche einzigartigen Supererden - Planeten, die massereicher als die Erde, aber kleiner als Neptun sind - ein geeignetes Ziel für zukünftige Forschungsmissionen darstellen könnten, wenn sie genauer untersucht werden.

Um die Suche nach bewohnbaren Planeten weiter voranzutreiben, untersuchte Huihao Zhang, Hauptautor der Studie und Doktorand der Astronomie in Ohio, zusammen mit seinen Kollegen auch die Wirksamkeit spezialisierter Bildgebungsinstrumente wie dem James Webb Space Telescope (JWST) und anderen äußerst großen Teleskopen (ELT) wie dem European Extremely Large Telescope, dem Thirty-Meter-Telescope und dem Giant Magellan Telescope bei der direkten Abbildung von Exoplaneten.

"Nicht jeder Planet eignet sich für die direkte Abbildung, aber deshalb geben uns Simulationen eine grobe Vorstellung davon, was die ELTs geleistet hätten und welche Versprechen sie halten sollen, wenn sie gebaut werden", sagte Zhang.

Die direkte Methode der Abbildung von Exoplaneten beinhaltet die Verwendung eines Koronagraphen oder Streulichttellers, um das Licht eines Sterns zu blockieren und es Wissenschaftlern zu ermöglichen, ein schwaches Bild des neuen Planeten in seiner Umlaufbahn einzufangen. Da die Lokalisierung auf diese Weise schwierig und zeitaufwendig sein kann, wollten die Forscher sehen, wie gut die ELT-Teleskope diese Herausforderung bewältigen könnten.

Dazu testeten sie die Fähigkeiten der Instrumente jedes Teleskops, Hintergrundrauschen von dem zu unterscheiden, was sie erfassen wollten, während sie Biosignaturen nachwiesen. Dieses Verhältnis von Signal zu Rauschen bestimmt, wie einfach die Wellenlänge eines Planeten erkannt und analysiert werden kann.

Die Ergebnisse zeigten, dass der direkte Abbildungsmodus eines Instruments beim Europäischen ELT, dem "Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph", sich bei drei Planeten (GJ 887 b, Proxima b und Wolf 1061 c) als geeigneter erwies, um die Anwesenheit von Methan, Kohlendioxid und Wasser zu unterscheiden, während das Instrument "High Angular Resolution Monolithic Optical and Near-infrared Integral field spectrograph" Methan, Kohlendioxid, Sauerstoff und Wasser nachweisen konnte, dafür aber eine wesentlich längere Belichtungszeit benötigte.

Zusätzlich wurden diese Schlussfolgerungen im Hinblick auf JWSTs derzeitige Fähigkeiten im Weltraum mit den astronomischen Fähigkeiten des JWST verglichen, sagte Zhang.

"Es ist schwer zu sagen, ob Weltraumteleskope besser sind als bodengestützte Teleskope, denn sie sind unterschiedlich", sagte er. "Sie haben unterschiedliche Umgebungen, unterschiedliche Standorte und ihre Beobachtungen haben unterschiedliche Auswirkungen."

In diesem Fall zeigten die Ergebnisse, dass GJ 887 b einer der geeignetsten Ziele für die direkte Abbildung durch ELTs ist, da sein Standort und seine Größe zu einem besonders hohen Verhältnis von Signal zu Rauschen führen. Bei einigen transitschen Planeten wie dem TRAPPIST-1-System sind jedoch JWSTs Techniken zur Untersuchung von Planetenatmosphären besser geeignet, um sie zu erkennen, als die direkte Abbildung der ELTs auf der Erde.

Da die Studie jedoch von konservativen Annahmen ausging, könnte die tatsächliche Effektivität zukünftiger astronomischer Instrumente die Wissenschaftler weiterhin überraschen, sagte Zhang. Und abgesehen von subtilen Leistungsunterschieden dienen diese leistungsstarken Technologien dazu, unser Verständnis des Universums zu erweitern und sollen sich gegenseitig ergänzen, sagte Ji Wang, Co-Autor der Studie und Assistenzprofessor für Astronomie an der Ohio State University. Deshalb ist es notwendig, Studien durchzuführen, die die Grenzen dieser Technologien bewerten.

'The importance of simulation, especially for missions that cost billions of dollars, cannot be stressed enough,' said Wang. 'Not only do people have to build the hardware, they also try really hard to simulate the performance and be prepared to achieve those glorious results.'

In all likelihood, as the ELTs won't be completed until the tail end of the decade, researchers' next steps will settle around simulating how well future ELT instruments will take to investigating the intricacies of our own planet's rampant proofs of life.

'We want to see to what extent we can study our atmosphere to exquisite detail and how much information we can extract from it,' said Wang. 'Because if we cannot answer habitability questions with Earth's atmosphere, then there's no way we can start to answer these questions around other planets.'

Journal information: Astronomical Journal

Provided by The Ohio State University