(M. Kornmesser/ESA/Wikimedia Commons/CC BY 4.0) 
Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass die Erforschung extrasolarer Planeten in den letzten Jahrzehnten explosionsartig zugenommen hat. Miteinander ausgehen, 4.375 Exoplaneten wurden in 3.247 Systemen bestätigt, weitere 5.856 Kandidaten warten auf ihre Bestätigung.
In den letzten Jahren hat bei der Erforschung von Exoplaneten der Übergang vom Prozess der Entdeckung zum Prozess der Charakterisierung begonnen.
Es wird erwartet, dass sich dieser Prozess beschleunigen wird, sobald die Teleskope der nächsten Generation in Betrieb gehen.
Aus diesem Grund arbeiten Astrobiologen an der Erstellung umfassender Listen potenzieller „Biosignaturen“, die sich auf chemische Verbindungen und Prozesse beziehen, die mit Leben verbunden sind (Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasser usw.).
Aber nach neuen Untersuchungen eines Teams der Massachusetts Institute of Technology (MIT), eine weitere potenzielle Biosignatur, nach der wir Ausschau halten sollten, ist ein Kohlenwasserstoff namens Isopren (C5H8).
Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt: „ Bewertung von Isopren als mögliches Biosignaturgas in Exoplaneten mit anoxischer Atmosphäre ,‘ erschien kürzlich online und wurde von der Zeitschrift zur Veröffentlichung angenommen Astrobiologie .
Für ihre Studie untersuchte das MIT-Team die wachsende Liste möglicher Biosignaturen, nach denen Astronomen in den kommenden Jahren Ausschau halten werden.
Bisher wurde die überwiegende Mehrheit der Exoplaneten mit indirekten Methoden entdeckt und bestätigt.
Die meisten Astronomen haben sich darauf verlassen Transitmethode (Transitphotometrie) und die Radialgeschwindigkeitsmethode (Doppler-Spektroskopie), einzeln oder in Kombination. Nur wenige waren nachweisbar Direkte Bildgebung , was es sehr schwierig macht, Atmosphären und Oberflächen von Exoplaneten zu charakterisieren.
Nur in seltenen Fällen gelang es Astronomen, Spektren zu erhalten, die es ihnen ermöglichten, die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre dieses Planeten zu bestimmen. Dies war entweder das Ergebnis von Licht, das die Atmosphäre eines Exoplaneten passierte, während dieser vor seinem Stern vorbeizog, oder in den wenigen Fällen, in denen Direct Imaging stattfand und von der Atmosphäre des Exoplaneten reflektiertes Licht untersucht werden konnte.
Vieles davon hat mit den Grenzen unserer aktuellen Teleskope zu tun, die nicht über die nötige Auflösung verfügen, um kleinere, felsige Planeten zu beobachten, die näher an ihrem Stern kreisen.
Astronomen und Astrobiologen glauben, dass es diese Planeten sind, die am wahrscheinlichsten potenziell bewohnbar sind, aber jedes von ihren Oberflächen und Atmosphären reflektierte Licht wird von dem Licht ihrer Sterne überlagert.
Das wird sich jedoch bald ändern, wenn Instrumente der nächsten Generation wie das James Webb-Weltraumteleskop (JWST) fliegt in den Weltraum. Sara Seager , der Jahrgang 1941, Professor für Physik und Planetenwissenschaften am MIT, leitet die verantwortliche Forschungsgruppe (auch bekannt als Seager Group) und war Co-Autor des Artikels.
Sie teilte Universe Today per E-Mail mit: „Mit dem bevorstehenden Start des James-Webb-Weltraumteleskops im Oktober 2021 werden wir erstmals in der Lage sein, nach Biosignaturgasen zu suchen – aber es wird schwierig sein, weil die atmosphärischen Signale des kleinen Gesteinsplaneten so schwach sind.“ anfangen mit. Mit dem bevorstehenden JWST ist die Zahl der Menschen, die in diesem Bereich arbeiten, enorm gewachsen. „Studien wie diese bringen neue potenzielle Biosignaturgase hervor, und andere Arbeiten zeigen potenziell falsch positive Ergebnisse sogar für Gase wie Sauerstoff.“
Sobald es aufgestellt und betriebsbereit ist, wird das JWST in der Lage sein, unser Universum bei längeren Wellenlängen (im Nahes und mittleres Infrarot Reichweite) und mit deutlich verbesserter Empfindlichkeit.
Das Teleskop wird außerdem auf eine Reihe von Spektrographen angewiesen sein, um Daten über die Zusammensetzung zu erhalten, sowie auf Koronographen, um das verdunkelnde Licht der Muttersterne auszublenden. Diese Technologie wird es Astronomen ermöglichen, die Atmosphäre kleinerer Gesteinsplaneten zu charakterisieren.
Diese Daten wiederum werden es Wissenschaftlern ermöglichen, die Bewohnbarkeit eines Exoplaneten viel strenger einzuschränken und könnten sogar zur Entdeckung bekannter (und/oder potenzieller) Biosignaturen führen.
Wie bereits erwähnt, umfassen diese „Biosignaturen“ die mit Leben und biologischen Prozessen verbundenen chemischen Anzeichen, ganz zu schweigen von den dafür günstigen Bedingungen.
Dazu gehört Sauerstoffgas (O2), das für die meisten Lebensformen auf der Erde unerlässlich ist und von photosynthetischen Organismen (Pflanzen, Bäumen, Cyanobakterien usw.) produziert wird. Dieselben Organismen verstoffwechseln Kohlendioxid (CO2), das das Sauerstoff verstoffwechselnde Leben als Abfallprodukt abgibt. Es gibt auch Wasser (H2O), das für alles Leben, wie wir es kennen, unerlässlich ist, und Methan (CH4), das beim Zerfall organischer Stoffe freigesetzt wird.
Da man davon ausgeht, dass vulkanische Aktivität eine wichtige Rolle für die Bewohnbarkeit des Planeten spielt, sind die mit Vulkanismus verbundenen chemischen Nebenprodukte – Schwefelwasserstoff (H2S), Schwefeldioxid (SO2), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoffgas (H2) usw. – gelten ebenfalls als Biosignaturen.
Zu dieser Liste wollten Zhan, Seager und ihre Kollegen eine weitere mögliche Biosignatur hinzufügen – Isopren.
Wie Zhan Universe Today per E-Mail erklärte: „Unsere Forschungsgruppe am MIT konzentriert sich auf die Verwendung eines ganzheitlichen Ansatzes zur Erforschung aller möglichen Gase als potenzielles Biosignaturgas.“ Unsere vorherige Arbeit führte zur Erstellung der Datenbank für alle kleinen Moleküle. Wir filtern die ASM-Datenbank weiter, um die plausibelsten Biosignaturgaskandidaten, darunter Isopren, zu identifizieren maschinelles Lernen und datengesteuerte Ansätze.'
Isopren ist wie sein Cousin Methan ein organisches Kohlenwasserstoffmolekül, das von verschiedenen Arten hier auf der Erde als Sekundärmetabolit produziert wird. Neben Laubbäumen wird Isopren auch von einer Vielzahl evolutionär entfernter Organismen produziert – wie Bakterien, Pflanzen und Tieren.
Wie Seager erklärte, ist dies eine vielversprechende potenzielle Biosignatur. „Isopren ist vielversprechend, weil es vom Leben auf der Erde in enormen Mengen produziert wird – genauso viel wie die Methanproduktion!“ Darüber hinaus produzieren eine Vielzahl von Lebensformen (von Bakterien bis zu Pflanzen und Tieren), die evolutionär weit voneinander entfernt sind, Isopren, was darauf hindeutet, dass es sich um eine Art Schlüsselbaustein handeln könnte, den das Leben anderswo auch herstellen könnte.“
Während Isopren hier auf der Erde etwa so häufig vorkommt wie Methan, wird Isopren durch Wechselwirkung mit Sauerstoff und sauerstoffhaltigen Radikalen zerstört. Aus diesem Grund entschieden sich Zhang, Seager und ihr Team, sich auf anoxische Atmosphären zu konzentrieren. Hierbei handelt es sich um Umgebungen, die überwiegend aus H2, CO2 und Stickstoffgas (N2) bestehen, was dem ähnelt, aus dem die Uratmosphäre der Erde bestand.
Ihren Erkenntnissen zufolge würde ein Urplanet (auf dem Leben zu entstehen beginnt) reichlich Isopren in seiner Atmosphäre haben.
Dies wäre auf der Erde vor 4 bis 2,5 Milliarden Jahren der Fall gewesen, als einzellige Organismen das einzige Leben waren und photosynthetische Cyanobakterien die Erdatmosphäre langsam in eine sauerstoffreiche Atmosphäre umwandelten.
Vor 2,5 Milliarden Jahren gipfelte dies in der „ Tolles Oxygenierungs-Event ' (GOE), das sich für viele Organismen (und Metaboliten wie Isopren) als giftig erwies.
In dieser Zeit begannen auch komplexe Lebensformen (Eukaryoten und mehrzellige Organismen) zu entstehen. In dieser Hinsicht könnte Isopren verwendet werden, um Planeten zu charakterisieren, die sich mitten in einem großen evolutionären Wandel befinden, und den Grundstein für zukünftige Tierstämme zu legen.
Aber wie Zhang bemerkte, wird es selbst für das JWST eine Herausforderung sein, diese potenzielle Biosignatur herauszufinden.
„Die Vorbehalte bei Isopren als Biomarker bestehen darin, dass 1. das 10- bis 100-fache der Isoprenproduktionsrate der Erde für den Nachweis erforderlich ist [und] 2. der Nachweis von Isopren-Spektralmerkmalen im Nahinfrarotbereich durch das Vorhandensein von Methan oder anderen Kohlenwasserstoffen behindert werden kann.“ Der eindeutige Nachweis von Isopren wird mit JWST eine Herausforderung darstellen, da viele Kohlenwasserstoffmoleküle ähnliche Spektrenmerkmale im Nahinfrarot-Wellenlängenbereich aufweisen. Aber künftige Teleskope, die sich auf die mittlere IR-Wellenlänge konzentrieren, werden in der Lage sein, die Spektralmerkmale von Isopren auf einzigartige Weise zu erkennen.“
Über das JWST hinaus ist das Römisches Weltraumteleskop Nancy Grace (Nachfolger der Hubble-Mission) wird bis 2025 ebenfalls ins All fliegen. Dieses Observatorium wird die Fähigkeit haben, „ Einhundert Hubbles ' und sein kürzlich verbesserte Infrarotfilter wird es ihm ermöglichen, Exoplaneten allein und durch Zusammenarbeit mit dem JWST und anderen „großen Observatorien“ zu charakterisieren.
Derzeit werden hier auf der Erde auch mehrere bodengestützte Teleskope gebaut, die auf hochentwickelten Spektrometern, Koronographen und adaptiven Optiken (AOs) basieren. Dazu gehören die Extrem großes Teleskop (ELT), die Riesen-Magellan-Teleskop (GMT), die 30-Meter-Teleskop (TMT) Diese Teleskope werden auch in der Lage sein, Direct-Imaging-Studien von Exoplaneten durchzuführen, und die Ergebnisse werden voraussichtlich bahnbrechend sein.
Aufgrund verbesserter Instrumente, sich rasch verbessernder Datenanalysen und -techniken sowie Verbesserungen unserer Methodik wird sich die Erforschung von Exoplaneten voraussichtlich noch weiter beschleunigen.
Zusätzlich dazu, dass Zehntausende weiterer Welten für Studien zur Verfügung stehen (von denen viele felsig und „erdähnlich“ sein werden), werden uns die beispiellosen Ansichten, die wir von ihnen haben werden, zeigen, wie viele bewohnbare Welten es da draußen gibt.
Ob dies noch zu unseren Lebzeiten zur Entdeckung außerirdischen Lebens führen wird, bleibt abzuwarten.
Aber eines ist klar. Wenn Astronomen in den kommenden Jahren damit beginnen, alle neuen Daten über die Atmosphäre von Exoplaneten zu durchforsten, werden sie über eine umfassende Liste von Biosignaturen verfügen, die ihnen als Orientierung dienen können.
Zu den früheren Arbeiten von Seager und Zhan gehört ein Konzept für ein Mars-Gewächshaus, das eine Besatzung von vier Astronauten bis zu zwei Jahre lang mit allen notwendigen Nahrungsmitteln versorgen könnte. Dieses Gewächshaus, bekannt als Biosphären-Architektur für eine lebensfähige außerirdische Residenz (BEAVER) belegte im Jahr 2019 den zweiten Platz NASA GROSSE Ideenherausforderung . Sie können mehr darüber lesen Hier .
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Universum heute . Lies das originaler Artikel .