05.03.2024

Die Erde als Exoplanet

Erdbeobachtung kann helfen, Spuren von Leben auf anderen Planeten nachzuweisen.

Auf der Erde ist Leben möglich. Das zeigt eine Untersuchung des Instituts für Teilchen­physik und Astrophysik der ETH Zürich. Dabei ging es den Forschenden natürlich nicht um die Beantwortung der Frage an sich. Vielmehr nahmen sie die Erde als Beispiel, um nachzuweisen, dass die geplante Weltraum­mission LIFE – Large Inter­ferometer for Exoplanets – ein Erfolg werden kann – und dass das vorgesehene Mess­verfahren funktioniert.

Abb.: Fünf Satelliten der LIFE-​Mission sind so miteinander verbunden, dass...
Abb.: Fünf Satelliten der LIFE-​Mission sind so miteinander verbunden, dass sie zusammen ein großes Weltraumteleskop bilden.
Quelle: ETHZ / LIFE Initiative

Mit einem Verbund von fünf Satelliten soll die inter­nationale Initiative LIFE unter der Führung der ETH Zürich dereinst Spuren von Leben auf Exoplaneten nachweisen. Dazu sollen erdähnliche Exoplaneten genauer untersucht werden – Gesteinsplaneten also, die eine ähnliche Größe und Temperatur wie die Erde haben, aber andere Sterne umkreisen. Der Plan ist, dort im Weltraum, wo das James-Webb-Teleskop stationiert ist, fünf kleinere Satelliten zu posi­tionieren. Diese bilden gemeinsam ein großes Teleskop, das als Interferometer die Wärme­strahlung von Exoplaneten im Infrarot­bereich auffangen wird. Aus dem Spektrum des Lichts lässt sich dann ableiten, wie die untersuchten Exoplaneten und ihre Atmosphäre zusammengesetzt sind. „Im Lichtspektrum sollen chemische Verbindungen nach­gewiesen werden, die auf Leben auf den Exoplaneten hinweisen“, erklärt Sascha Quanz, der die LIFE-Initiative leitet.

In einer neuen Studie untersuchten die Forschenden Jean-Noël Mettler, Björn S. Konrad, Sascha P. Quanz und Ravit Helled nun, wie gut eine LIFE-Mission einen Exoplaneten im Hinblick auf seine Bewohn­barkeit charak­terisieren könnte. Dazu betrachteten sie die Erde als Exoplaneten und gaben Beobachtungen auf unseren Heimatplaneten vor. Einzigartig an der Untersuchung ist, dass das Team die Fähigkeit der künftigen LIFE-Mission an realen statt an simulierten Spektren getestet hat. Sie nutzten dazu Daten eines Erd­atmosphären­messgeräts des Nasa-Forschungs­satelliten Aqua. Mit diesen Daten erzeugten sie Emissionsspektren der Erde im mittleren Infrarot­bereich, wie sie bei künftigen Beobachtungen von Exoplaneten erfasst werden könnten.

Zwei Überlegungen standen dabei im Mittelpunkt. Erstens: Wenn ein großes Weltraum­teleskop aus dem All die Erde beobachten würde, welche Art von Infrarot­spektrum würde es aufnehmen? Weil die Erde aus großer Entfernung beobachtet würde, sähe sie aus wie ein unscheinbarer Fleck – ohne erkenn­bare Merkmale wie Meer oder Berge –, ein einzelner Pixel auf einem digitalen Bild. Das heißt, die Spektren wären dann räumliche und zeitliche Mittelwerte, die davon abhängen, welche Ansichten des Planeten das Teleskop einfangen würde und für wie lange. Daraus leiteten die Physikerinnen und Physiker die zweite Überlegung ab: Wenn diese gemittelten Spektren analysiert würden, um Informationen über die Atmosphäre und die Oberflächen­bedingungen der Erde zu erhalten, wie würden die Ergebnisse von Faktoren wie der Beobachtungs­geometrie und den jahres­zeitlichen Schwankungen abhängen?

Die Forschenden berücksichtigten dazu drei Beobachtungs­geometrien – die beiden Ansichten von den Polen und zusätzlich eine äquatoriale Ansicht – und konzen­trierten sich auf Daten, die in den Monaten Januar und Juli aufgenommen wurden, um die grössten saisonalen Veränderungen zu berücksichtigen. Das wichtigste Ergebnis der Studie ist ermutigend: Wenn ein Weltraumteleskop wie LIFE den Planeten Erde aus rund dreißig Lichtjahren Entfernung beobachten würde, würde es Hinweise auf eine gemäßigte, bewohnbare Welt finden. So konnte das Team in den Infrarot­spektren der Erdatmo­sphäre Konzen­trationen der atmosphärischen Gase CO2, Wasser, Ozon und Methan nachweisen sowie Oberflächen­bedingungen, die das Vorkommen von Wasser begünstigen. Der Nachweis von Ozon und Methan ist besonders wichtig, da diese Gase von der Biosphäre der Erde produziert werden.

Diese Ergebnisse sind unabhängig von der Beobachtungs­geometrie, wie die Forschenden zeigten. Das ist eine gute Nachricht, da die genaue Beobachtungs­geometrie bei zukünftigen Beobach­tungen von erdähnlichen Exoplaneten wahrscheinlich unbekannt sein wird. Beim Vergleich von saisonalen Schwankungen war das Ergebnis hingegen weniger aufschluss­reich. „Auch wenn die atmo­sphärische Saisonalität nicht leicht zu beobachten ist, zeigt unsere Studie, dass Weltraummissionen der nächsten Generation beurteilen können, ob nahe gelegene gemäßigte erdähnliche Exoplaneten bewohnbar oder sogar bewohnt sind“, sagt Sascha Quanz.

ETHZ / JOL

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

EnergyViews

EnergyViews
Dossier

EnergyViews

Die neuesten Meldungen zu Energieforschung und -technologie von pro-physik.de und Physik in unserer Zeit.

Meist gelesen

Themen