Was genau macht einen Exoplaneten „bewohnbar“?

Eines der spannendsten Themen der Astronomie ist heute die Suche nach Exoplaneten, also Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Bis heute haben wir über 5.000 Exoplaneten gefunden, und jedes Jahr werden weitere entdeckt. Und der heilige Gral der Exoplanetenforschung besteht darin, bewohnbare Planeten zu finden, auf denen wir nach Leben außerhalb unseres eigenen Planeten suchen können.

Wenn Sie sich für Astronomie interessieren, haben Sie wahrscheinlich schon Schlagzeilen darüber gesehen bewohnbare Exoplaneten, die entdeckt wurden durch Missionen wie das Kepler-Weltraumteleskop der NASA oder den Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Diese Planeten sind typischerweise erdähnlich und könnten flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche haben, und es wird angenommen, dass sie möglicherweise Leben beherbergen könnten. Aber wie können wir aus einer Entfernung von Millionen Kilometern feststellen, ob ein Planet bewohnbar ist? Und was genau meinen wir überhaupt mit bewohnbar?

Wir sprachen mit dem Bewohnbarkeitsexperten Abel Méndez vom Planetary Habitability Laboratory am Universität von Puerto Rico in Arecibo, die uns erzählte, dass Bewohnbarkeit viel komplizierter ist als Sie könnte denken.

Bewohnbarkeit ist nicht binär

Die meisten Menschen sprechen über Bewohnbarkeit, als wäre es ein binärer Zustand. Entweder ist ein Planet bewohnbar oder nicht. Aber wenn man gründlich über das Thema nachdenkt, wird klar, dass diese Definition nicht ausreicht. Bedeuten wir „bewohnbar“ im Sinne von „fähig, menschliches Leben zu erhalten?“ Oder mikrobielles Leben? Meinen wir, dass es ein angenehmes Umfeld für den Erfolg des Lebens ist oder eines, in dem das Überleben schwierig, aber theoretisch möglich ist? Meinen wir, dass sich das Leben in dieser Umgebung hätte entwickeln können, oder dass das Leben, wenn es dort ankäme, überleben könnte?

Auf diese Fragen gibt es keine eindeutige Antwort, weshalb es ein Fehler ist, Bewohnbarkeit als Ja/Nein-Frage zu betrachten. Stattdessen sollten wir die Bewohnbarkeit als Maß für die Eignung für eine bestimmte Lebensform betrachten.

Diese Verwirrung besteht nicht nur in der Öffentlichkeit. Méndez sagte, dass es unter Wissenschaftlern keinen Konsens darüber gibt, was Bewohnbarkeit bedeutet. Es sei „ein bedeutsames Wort“, sagte er, „denn in unseren üblichen Gesprächen bedeutet Bewohnbarkeit Bewohnbarkeit für.“ Menschen.“ Aber wenn wir andere Planeten betrachten, denken wir nicht nur an Menschen, sondern auch an andere Arten des Lebens.

Die ganze Zeit, in der sich Astrobiologen über die Bewohnbarkeit von Exoplaneten Gedanken gemacht hatten, änderte sich die Situation Da draußen gab es noch eine andere Gruppe von Menschen, die seit Jahrzehnten über Bewohnbarkeit nachdachten: Ökologen. Ökologen sprechen von der „Lebensraumeignung“ der Umgebungen hier auf der Erde – also der Eignung einer bestimmten Umgebung für das Gedeihen einer bestimmten Art von Leben. Das ist genau das, was die Astrobiologen mit ihrer Exoplanetenforschung erreichen wollten.

Zu Beginn seiner Recherchen zu diesem Thema stieß Méndez auf diese Ökologiearbeit und sagte: „Mir wurde klar, dass die Menschen in der … Was wir auf dem Gebiet der Astrobiologie zu tun versuchten – die Bewohnbarkeit zu definieren und zu quantifizieren – wurde bereits vor Jahrzehnten von Ökologen durchgeführt.“

Was ist mit der bewohnbaren Zone?

Das Problem besteht also nicht darin, festzustellen, ob ein Exoplanet bewohnbar ist oder nicht, sondern darin, zu bestimmen, welche Eigenschaften ihn für Arten von Leben geeignet machen würden.

Ein relativ einfacher Ausgangspunkt ist die Anforderung, dass flüssiges Wasser verfügbar sein muss. Flüssiges Wasser ist unerlässlich für fast alle Lebensformen, wie wir sie kennen, aufgrund seiner Lösungsmitteleigenschaften. Viele Dinge lösen sich in Wasser auf, was bedeutet, dass es sich gut dazu eignet, Dinge miteinander zu vermischen, was chemische Reaktionen ermöglicht. Es spielt auch eine wichtige Rolle bei der Funktion von Enzymen. Wenn Wissenschaftler sich also die Anforderungen für einen bewohnbaren Exoplaneten vorgestellt haben, steht die Verfügbarkeit von flüssigem Wasser ganz oben auf der Liste.

Das ist es, was uns auf die Idee der „habitablen Zone“ bringt. Dies ist eine Region um einen Stern, in der ein Planet schätzungsweise die richtige Temperatur hat, um flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche zu haben. Wenn wir einen finden würden Erdähnlicher Planet innerhalb der bewohnbaren Zone eines Sterns Die Begründung lautet: Wir hätten einen guten Ausgangspunkt für die Suche nach Leben gefunden.

Allerdings ist der Aufenthalt in der bewohnbaren Zone nicht das A und O der Bewohnbarkeit. Es ist nur eine Grundvoraussetzung. Und, sagt Méndez, der Begriff habe „viel Verwirrung“ gestiftet, weil Astronomen oft sagen, ein Planet sei bewohnbar, wenn sie meinen, er befinde sich in der bewohnbaren Zone. Er bevorzugt den Begriff „potenziell bewohnbar“, um deutlich zu machen, dass dies alles andere als eine geklärte Frage ist.

Faktoren für die Bewohnbarkeit

Ok, flüssiges Wasser ist also ein Muss. Was ist sonst noch erforderlich, damit ein Planet Leben beherbergt? Basierend auf den Lebensformen hier auf der Erde haben wir ein solides Verständnis davon. Wenn es darum geht, die Bewohnbarkeit von Exoplaneten zu beurteilen, möchten Astrobiologen beispielsweise über Faktoren wie die eines Planeten Bescheid wissen Masse und Radius sowie seine Oberflächentemperatur, sein Druck und der Anteil des Planeten, der davon bedeckt ist Wasser.

Es ist schwierig, diese Faktoren für einen bestimmten Exoplaneten zu bestimmen. Für die meisten jetzt entdeckten Exoplaneten können wir Faktoren wie ihre Umlaufzeit, ihren Radius oder ihre Masse und ihren Sternfluss kennen, also die Strahlungsmenge, die sie von ihrem Wirtsstern erhalten. Aber um beispielsweise ihre Oberflächentemperatur oder ihren Druck zu kennen, müssten wir etwas über ihre Atmosphäre wissen.

Um herauszufinden, warum, werfen Sie einen Blick auf unser eigenes Sonnensystem. Venus hat die höchste Oberflächentemperatur im Sonnensystem, obwohl sie weiter von der Sonne entfernt ist als Merkur. Das liegt daran, dass die Venus eine extrem dichte Atmosphäre hat, die die Wärme einfängt und die Oberflächentemperatur erhöht. Ein außerirdischer Astrobiologe, der unser Sonnensystem untersucht, weiß möglicherweise nicht, wie heiß die Venus war, da dies aus der Ferne nicht erkennbar ist.

Zukünftige Arbeiten von Teleskopen wie dem James Webb-Weltraumteleskop werden es uns ermöglichen, mehr darüber zu erfahren Exoplanetenatmosphären, aber vorerst müssen Wissenschaftler die Oberflächentemperaturen schätzen.

Auch die Menge der mit Wasser bedeckten Oberfläche ist wichtig. Dies wird als Ozeanfraktion bezeichnet und ist wichtig, weil die dynamische Natur der Ozeane Dadurch sind sie hervorragend geeignet, Nährstoffe rund um den Planeten zu transportieren und so den Ort lebensfreundlicher zu machen.

Derzeit verfügen wir nicht über Instrumente, mit denen sich der Anteil von Exoplaneten im Ozean messen lässt. Es gibt jedoch welche Ideen für zukünftige Teleskope Dabei könnte untersucht werden, wie sich die von einem Exoplaneten reflektierte Lichtmenge bei seiner Rotation ändert, was Aufschluss darüber geben kann, wie viel Ozean seine Oberfläche bedeckt.

Trotz aller Komplexität bei der Bestimmung dieser Faktoren glaubt Méndez, dass sich die Exoplanetenwissenschaft so schnell entwickelt, dass wir sie innerhalb der nächsten zwanzig Jahre messen können. „Zehn Jahre für Atmosphärenmessungen mit verschiedenen Instrumenten, dann zehn Jahre für neue Teleskope, die Planeten einzeln sehen und den Ozeananteil messen können“, prognostizierte er.

Ein Katalog potenziell bewohnbarer Exoplaneten

Es ist aufregend, Exoplaneten in den kommenden Jahrzehnten so detailliert untersuchen zu können, aber Wissenschaftler wollen jetzt auch potenziell bewohnbare Exoplaneten untersuchen. Aus diesem Grund hält Méndez‘ Gruppe an dem fest Katalog bewohnbarer Exoplaneten, eine Liste aller bisher entdeckten potenziell bewohnbaren Exoplaneten.

Um in den Katalog aufgenommen zu werden, muss ein Planet ungefähr die Größe der Erde haben und innerhalb der bewohnbaren Zone seines Sterns kreisen. Aber um die vielen Faktoren zu berücksichtigen, die wir über diese Exoplaneten noch nicht wissen können, gibt es zwei verschiedene Kriterien für die erdgroßen Mittelwerte. Der Katalog enthält sowohl eine konservative Liste, in der Planeten bis zum 1,6-fachen oder dreifachen Erdradius aufgeführt sind Mal ihre Masse und eine optimistische Liste, die Planeten bis zum 2,5-fachen Erdradius oder dem Zehnfachen ihres Erdradius enthält Masse.

Denn wenn wir nach potenzieller Bewohnbarkeit suchen, suchen wir nach Gesteinsplaneten wie der Erde und nicht nach Gasplaneten. Exoplaneten mit geringer Dichte, wie Gasriesen, sind nicht gut für das Leben, weil sie sich schlecht festhalten können die Nährstoffe, die zum Leben verfügbar sein müssen – derselbe Grund, warum man in den Wolken kein Leben findet Erde. Bei Planeten, die etwa doppelt so groß wie die Erde sind, handelt es sich um Gesteinsplaneten. Bei größeren Planeten kann es sich jedoch um sogenannte Mini-Neptun- oder Gaszwergplaneten handeln, die wahrscheinlich kein Leben beherbergen.

Mit über 5.000 bestätigte Exoplaneten Sie könnten sich vorstellen, dass der Katalog Hunderte von Kandidaten für die Bewohnbarkeit auflistet, aber tatsächlich gibt es relativ wenige – nur 21 in der konservativen Liste und weitere 38 in der optimistischen Liste.

Die Kürze der Liste könnte teilweise darauf zurückzuführen sein, dass viele Methoden zur Entdeckung von Exoplaneten größere Exoplaneten besser finden können als kleinere – im Allgemeinen ist es einfacher, etwas Größeres zu erkennen – und einige Untersuchungen deuten darauf hin könnte sein Milliarden erdähnlicher Planeten in unserer Galaxie. Doch derzeit ist die Zahl der Exoplaneten, die wir nennen können und die die grundlegendsten Kriterien für eine potenzielle Bewohnbarkeit erfüllen, noch gering.

Wo kann man jetzt nach Leben suchen?

Die Tatsache, dass wir nur wenige potenziell bewohnbare Exoplaneten kennen, bedeutet natürlich nicht, dass wir die Suche nach Leben anderswo aufgeben sollten. In gewisser Weise erleichtert es die Entscheidung über Forschungsziele, wenn Sie über solche Systeme verfügen TRAPPIST-1, der vermutlich bis zu vier potenziell bewohnbare Exoplaneten beherbergt und der ein wichtiges Ziel für die bevorstehende wissenschaftliche Arbeit des sein wird James Webb-Weltraumteleskop.

Bei all diesen Diskussionen über die Bewohnbarkeit geht es um die Vorstellung, dass Leben, wenn es anderswo im Universum existiert, zumindest mit dem Leben hier auf der Erde vergleichbar sein wird. Wenn wir über den Bedarf an Wasser oder bestimmten Nährstoffen sprechen, beziehen wir uns dabei auf das Leben, das wir auf unserem Planeten beobachtet haben. Wir gehen davon aus, dass es anderswo Leben geben wird, wie wir es kennen, aber es ist durchaus möglich, dass es irgendwo da draußen Leben in einer völlig anderen Form geben könnte.

Obwohl Wissenschaftler diese Möglichkeit anerkennen, neigen sie dazu, dem Konzept keine große Beachtung zu schenken, da es für die Forschung keinen praktischen Nutzen hat. „Sie werden das Leben nicht erkennen, weil wir es nicht kennen“, betonte Méndez, also ist es nichts, wonach wir suchen könnten.

Auf der Suche nach Leben in unserem eigenen Sonnensystem

Einige Forscher argumentieren, dass wir statt nach Exoplaneten in unserem eigenen Sonnensystem nach potenziell bewohnbaren Welten suchen könnten – Orten wie dem Saturnmond Enceladus oder dem Jupitermond Europa. Obwohl sie zu weit von der Sonne entfernt sind, um flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche zu haben, geht man davon aus, dass sich auf beiden Planeten flüssiges Salzwasser unter der Eiskruste befindet.

Aber Méndez ist nicht davon überzeugt, dass diese Orte aufgrund dieser Eiskrusten sehr vielversprechende Orte für Leben sind. Diese Krusten versperren den Zugang zur Atmosphäre und verhindern, dass Energie von der Oberfläche übertragen wird, wodurch sie für die Erhaltung des Lebens schlecht geeignet ist. „Das ist schlimmer als die tiefen Ozeane auf unserem Planeten. Es ist viel schlimmer als alles auf der Erde“, sagte er. „Ich glaube nicht, dass dort irgendetwas außer mikrobiellem Leben leben wird.“

Selbst die Suche nach mikrobiellem Leben außerhalb der Erde wäre enorm spannend, daher ist das Ziel von Missionen wie dem Rover Perseverance, nach Beweisen für antikes Leben auf dem Mars zu suchen. Aber der Mars ist heute nicht gerade gastfreundlich, obwohl er es in der Vergangenheit vielleicht einmal gewesen sein könnte. Studien zur Bewohnbarkeit der Marsumgebung lassen nicht darauf schließen, dass dort heute irgendetwas überlebt hat: „Wir Schätzungen zufolge ist die Oberfläche des Mars tausendmal schlimmer als die der Atacama-Wüste“, sagte Méndez genannt.

Weiter zum Mars

Trotz seiner Vorbehalte gegenüber den trockenen Bedingungen auf dem Mars ist Méndez pragmatisch, wenn es darum geht, wo wir Beweise für Leben finden könnten, falls es eines gibt. „Wenn ich wetten müsste, wo wir Leben finden könnten, würde ich auf den Mars wetten“, sagte er, „obwohl ich Exoplaneten mehr liebe!“ Das liegt an der Problematik der Erkennung. Wenn Sie wissen wollen, dass ein Planet nicht nur potenziell bewohnbar ist, sondern tatsächlich Leben beherbergt, brauchen Sie Beweise – und diese Beweise sind aus großer Entfernung äußerst schwer zu bekommen.

Da in den nächsten Jahrzehnten Probenrückführungsmissionen für den Mars geplant sind, ist der Wettlauf darum eröffnet, ein Stück Mars zur Untersuchung auf die Erde zurückzubringen. Diese Proben sind unsere beste Chance für einen sicheren Nachweis von Leben. „Die eindeutige Antwort erhält man, wenn man hier auf der Erde eine Probe hat, denn man sucht nach mikrobiellem Leben in sehr geringen Mengen“, erklärte er.

Das Traumforschungsszenario wäre, eine Probe aus einer Umgebung auf dem Mars zu sammeln, die nach irdischen Maßstäben bewohnbar sein könnte, wie z Grundwasserleiter. Wenn wir Beweise für Leben in einer solchen Umgebung finden würden, wäre das großartig – wir hätten entdeckt, dass unser Planet nicht der einzige ist, der Leben beherbergt.

Aber Méndez sagt, dass es genauso aufregend wäre, in einer solchen Umgebung keine Beweise für Leben zu finden. „Wenn wir einen nach terrestrischen Maßstäben bewohnbaren Ort finden und es dort kein Leben gibt, wird das erstaunlich und faszinierend sein“, sagte er. "Was schief gelaufen ist? Was ist passiert? Warum gibt es kein Leben?“ Angesichts der Tatsache, dass Leben in so vielen verschiedenen Umgebungen auf der Erde existiert, wissen wir es Da Erde und Mars durch Einschläge Material ausgetauscht haben, wäre es in der Tat seltsam, wenn das Leben auf uns beschränkt wäre Planet.

„Es wäre eine große Offenbarung, Leben zu finden, aber das negative Ergebnis wäre noch schwerwiegender“, sagte Méndez. „Hier kann man nichts falsch machen. Es ist eine Win-Win-Situation. Die Antwort liegt auf dem Mars, er ist genau dort. Und jede Antwort ist tiefgreifend.“

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