JWST hat gezeigt, dass es die Fingerabdrücke des Lebens auf Exoplaneten erkennen kann

Bestandteile des Lebens über das ganze Universum verbreitet. Während die Erde der einzige bekannte Ort im Universum ist, an dem Leben existiert, ist es die Entdeckung außerirdischen Lebens Das Hauptziel Aus moderne Astronomie Und die planetarische Wissenschaft.

Wir sind zwei Gelehrte, die studieren äußeren Planeten Und die Astrobiologie. Zum großen Teil dank Teleskopen der nächsten Generation wie James Webb werden Forscher wie wir bald in der Lage sein, die chemische Zusammensetzung der Atmosphären von Planeten um andere Sterne zu messen. Hoffentlich haben einer oder mehrere dieser Planeten einen chemischen Fingerabdruck für das Leben.

Es gibt mehrere bekannte Exoplaneten in bewohnbaren Zonen – Umlaufbahnen nicht zu nahe an einem Siedewasserstern, aber nicht weit entfernt von einem gefrorenen Planeten –, die sowohl für das Sonnensystem als auch für das Kepler-186-Sternensystem mit seinen Planeten mit den Bezeichnungen b, c, d grün dargestellt sind , e, Und die. Bildnachweis: NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech/Wikimedia Commons

Bewohnbare äußere Planeten

Leben Es kann im Sonnensystem existieren Wo es flüssiges Wasser gibt – etwa in Grundwasserleitern auf dem Mars oder in den Ozeanen des Jupitermondes Europa. Die Suche nach Leben an diesen Orten ist jedoch sehr schwierig, da es schwierig ist, sie zu erreichen, und der Nachweis von Leben erfordert das Senden einer Sonde, um die physischen Proben zurückzugeben.

Viele Astronomen glauben, dass es eine Datei gibt Gute Chancen auf Leben auf Planeten, die andere Sterne umkreisenUnd das könnte der Ort sein Das Leben wird zuerst gefunden.

Theoretische Berechnungen deuten darauf hin, dass etwas in der Nähe liegt 300 Millionen potenziell bewohnbare Planeten In der Milchstraße allein und Viele bewohnbare Planeten von der Größe der Erde Innerhalb von nur 30 Lichtjahren von der Erde entfernt – im Wesentlichen die Nachbarn der Menschheit in der Galaxie. So weit, Astronomen Entdecken Sie mehr als 5.000 Exoplanetendarunter Hunderte von potenziell bewohnbaren, mit indirekte Methoden die misst, wie ein Planet seinen nahen Stern beeinflusst. Diese Messungen können Astronomen Informationen über die Masse und Größe eines Exoplaneten liefern, aber nicht mehr.

Jedes Material absorbiert bestimmte Lichtwellenlängen, wie in diesem Diagramm gezeigt, das die Lichtwellenlängen darstellt, die von verschiedenen Arten von Chlorophyll leicht absorbiert werden. Bildnachweis: Daniele Puglisi/Wikimedia Commons, CC BY-SA

Auf der Suche nach Bio-Signaturen

Um Leben auf einem fernen Planeten zu entdecken, werden Astrobiologen vorhandenes Sternenlicht untersuchen Interagiere mit der Oberfläche oder Atmosphäre des Planeten. Wenn die Atmosphäre oder Oberfläche durch Leben verändert wird, kann das Licht einen Hinweis enthalten, der als „Biosignatur“ bezeichnet wird.

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Während der ersten Hälfte ihres Bestehens hatte die Erde eine Atmosphäre ohne Sauerstoff, obwohl sie einfaches, einzelliges Leben beherbergte. Der lebenswichtige Fußabdruck der Erde war während dieser frühen Ära sehr schwach. Das änderte sich schlagartig Vor 2,4 Milliarden Jahren Als sich eine neue Algenfamilie entwickelte. Die Algen nutzten die Photosynthese, die freien Sauerstoff produziert – Sauerstoff, der chemisch an kein anderes Element gebunden ist. Von diesem Zeitpunkt an hinterließ die sauerstoffgefüllte Atmosphäre der Erde einen starken und leicht erkennbaren lebenswichtigen Eindruck auf dem Licht, das sie durchdrang.

Wenn Licht von der Oberfläche eines Materials abprallt oder durch ein Gas geht, bleiben bestimmte Wellenlängen eher im Gas oder an der Oberfläche des Materials gefangen als andere. Diese selektive Anpassung der Lichtwellenlängen ist der Grund für die unterschiedlichen Farben von Objekten. Blätter sind grün, weil Chlorophyll Licht im roten und blauen Wellenlängenbereich besonders gut absorbiert. Wenn Licht auf das Papier trifft, werden die roten und blauen Wellenlängen absorbiert, sodass hauptsächlich grünes Licht zurück in Ihre Augen strahlt.

Das Muster des verlorenen Lichts wird durch die spezifische Zusammensetzung des Materials bestimmt, mit dem das Licht interagiert. Aus diesem Grund können Astronomen etwas über die Zusammensetzung der Atmosphäre oder Oberfläche eines Exoplaneten lernen, indem sie die spezifische Lichtfarbe messen, die von einem Planeten ausgeht.

Diese Methode kann verwendet werden, um das Vorhandensein bestimmter atmosphärischer Gase, die mit dem Leben in Verbindung gebracht werden – wie Sauerstoff oder Methan – zu identifizieren, da diese Gase sehr spezifische Signale im Licht hinterlassen. Es kann auch verwendet werden, um seltsame Farben auf der Oberfläche eines Planeten zu erkennen. Auf der Erde zum Beispiel verwenden Pflanzen, Chlorophyll und andere Pigmente und Algen, die für die Photosynthese verwendet werden, bestimmte Lichtwellenlängen. Diese Farbstoffe Ausgeprägte Farbproduktion Es kann mit einer empfindlichen Infrarotkamera erkannt werden. Wenn Sie sehen, dass diese Farbe von der Oberfläche eines fernen Planeten reflektiert wird, weist dies wahrscheinlich auf das Vorhandensein von Chlorophyll hin.

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Teleskope im Weltraum und auf der Erde

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das erste Teleskop, das in der Lage ist, chemische Signale von Exoplaneten zu erfassen, aber es ist in seinen Fähigkeiten begrenzt. Bildnachweis: NASA/Wikimedia Commons

Es bedarf eines unglaublich leistungsstarken Teleskops, um diese subtilen Veränderungen im Licht eines potenziell bewohnbaren Exoplaneten zu erkennen. Derzeit ist das neue Teleskop das einzige Teleskop, das zu einer solchen Leistung fähig ist James-Webb-Weltraumteleskop. wie es ist Der wissenschaftliche Betrieb begann Im Juli 2022 führte James Webb eine niedliche Lesung durch Gasriesen-Exoplanet WASP-96b. Das Spektrum zeigte das Vorhandensein von Wasser und Wolken, aber ein großer, heißer Planet wie WASP-96b wird wahrscheinlich kein Leben beherbergen.

Diese frühen Daten zeigen jedoch, dass James Webb in der Lage ist, schwache chemische Signale im Licht von Exoplaneten zu erkennen. In den kommenden Monaten sollte Webb ihre Spiegel in Richtung drehen TRAPPIST-1eein potenziell bewohnbarer Planet von der Größe der Erde, nur 39 Lichtjahre von der Erde entfernt.

Webb kann nach biometrischen Fingerabdrücken suchen, indem er Planeten untersucht und einfängt, während sie vor ihren Wirtssternen vorbeiziehen Sternenlicht, das durch die Atmosphäre des Planeten fließt. Aber Webb wurde nicht entwickelt, um nach Leben zu suchen, daher ist das Teleskop nur in der Lage, einige der nächsten potenziell bewohnbaren Welten zu untersuchen. Es kann auch Änderungen erkennen, die an vorgenommen wurden Gehalte an Kohlendioxid, Methan und Wasserdampf in der Atmosphäre. Während bestimmte Kombinationen dieser Gase Es könnte auf Leben hindeutenWebb ist nicht in der Lage, das Vorhandensein von ungebundenem Sauerstoff zu erkennen, was der stärkste Hinweis auf Leben ist.

Zu den bahnbrechenden Konzepten für zukünftige Weltraumteleskope, die noch leistungsstärker sind, gehören Pläne, das helle Licht des Muttersterns der Erde zu blockieren, um vom Planeten reflektiertes Sternenlicht zu erkennen. Diese Idee ähnelt der Verwendung Ihrer Hand, um Sonnenlicht auszublenden, um etwas aus der Ferne besser sehen zu können. Zukünftige Weltraumteleskope könnten dazu kleine Innenmasken oder ein großes, fallschirmartiges Weltraumfahrzeug verwenden. Sobald das Sternenlicht ausgeblendet ist, ist es viel einfacher, das Licht zu untersuchen, das von einem Planeten reflektiert wird.

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Es befinden sich derzeit auch drei riesige bodengestützte Teleskope im Bau, die in der Lage sein werden, nach biometrischen Fingerabdrücken zu suchen: Riesiges Magellan-TeleskopDas 30-Meter-Teleskop und die Europäisches sehr großes Teleskop. Jedes ist viel leistungsstärker als die Teleskope auf der Erde, und obwohl diese Teleskope durch das Sternenlicht der Erdatmosphäre behindert werden, könnten sie in der Lage sein, die Atmosphären der nächsten Welten auf der Suche nach Sauerstoff zu erkunden.

Tiere, einschließlich Kühe, produzieren Methan, ebenso wie viele geologische Prozesse. Bildnachweis: Jernej Furman/Wikimedia Commons, CC DURCH

Ist es Biologie oder Geologie?

Selbst mit den leistungsstärksten Teleskopen werden Astrobiologen in den kommenden Jahrzehnten nur die mächtigen Biosignaturen erkennen können, die von Welten erzeugt werden, die durch das Leben vollständig verändert wurden.

Leider können die meisten Gase, die von terrestrischem Leben freigesetzt werden, auch durch nicht-biologische Prozesse produziert werden – Kühe und Vulkane setzen Methan frei. Die Photosynthese produziert Sauerstoff, aber auch das Sonnenlicht, wenn es Wassermoleküle in Sauerstoff und Wasserstoff spaltet. dort Eine gute Chance für Astronomen, einige Fehlalarme zu entdecken Auf der Suche nach einem fernen Leben. Um Fehlalarme auszuschließen, müssen Astronomen einen interessanten Planeten gut genug verstehen, um zu verstehen, ob er einer ist. Geologische oder atmosphärische Prozesse können eine Biosignatur nachahmen.

Die nächste Generation von Exoplanetenstudien hat das Potenzial, das Niveau von zu überschreiten Ungewöhnliche Beweise Notwendigkeit, die Existenz des Lebens zu beweisen. Die erste Veröffentlichung von Daten des James-Webb-Weltraumteleskops gibt uns einen Eindruck von den spannenden Fortschritten, die bald bevorstehen.Gespräch

Chris EmbiDistinguished University Professor of Astronomy, Universität von Arizona Und die Daniel AbayProfessor für Astronomie und Planetenwissenschaften, Universität von Arizona

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