Neues Modell zur Identifizierung potenziell lebensfreundlicher Exoplaneten

LONDON (IT BOLTWISE) – Die Suche nach Leben außerhalb der Erde ist ein zentrales Ziel der modernen Astronomie und Planetenwissenschaft. Wissenschaftler entwickeln neue Modelle und Technologien, um die vielversprechendsten Orte im Universum zu identifizieren, an denen Leben existieren könnte.

Die Suche nach außerirdischem Leben treibt die moderne Astronomie und Planetenwissenschaft maßgeblich voran. In den USA werden derzeit mehrere große Teleskope und planetare Sonden entwickelt, um diese Suche zu unterstützen. Doch die Interpretation von Lebenszeichen, sogenannten Biosignaturen, bleibt eine Herausforderung. Ich bin Astrophysiker und Astrobiologe mit über 20 Jahren Erfahrung in der Erforschung von Exoplaneten, also Planeten außerhalb unseres Sonnensystems.

Gemeinsam mit meinen Kollegen habe ich einen neuen Ansatz entwickelt, der die interessantesten Planeten oder Monde zur Suche nach Leben identifiziert und bei der Interpretation potenzieller Biosignaturen hilft. Dies erreichen wir, indem wir modellieren, wie verschiedene Organismen in unterschiedlichen Umgebungen gedeihen könnten, basierend auf Studien zu den Lebensgrenzen auf der Erde.

Astronomen entwickeln Pläne und Technologien für immer leistungsfähigere Weltraumteleskope. Beispielsweise arbeitet die NASA an dem vorgeschlagenen Habitable Worlds Observatory, das ultrascharfe Bilder aufnehmen soll, die die Planeten zeigen, die nahegelegene Sterne umkreisen. Ein weiteres Konzept, das wir entwickeln, ist die Nautilus-Weltraumteleskop-Konstellation, die darauf ausgelegt ist, Hunderte potenziell erdähnlicher Planeten zu untersuchen, während sie vor ihren Wirtssternen vorbeiziehen.

Diese und andere zukünftige Teleskope zielen darauf ab, empfindlichere Studien von mehr fremden Welten zu ermöglichen. Ihre Entwicklung wirft zwei wichtige Fragen auf: „Wo soll man suchen?“ und „Sind die Umgebungen, in denen wir Lebenszeichen vermuten, tatsächlich bewohnbar?“

Die stark umstrittenen Behauptungen über potenzielle Lebenszeichen auf dem Exoplaneten K2-18b, die im April 2025 angekündigt wurden, sowie frühere ähnliche Behauptungen auf der Venus zeigen, wie schwierig es ist, die Anwesenheit von Leben anhand von Fernerkundungsdaten eindeutig zu identifizieren.

Oxford Languages definiert „bewohnbar“ als „geeignet oder gut genug zum Leben“. Aber wie wissen Wissenschaftler, was für außerirdische Organismen „gut genug zum Leben“ ist? Könnten außerirdische Mikroben in Seen aus kochender Säure oder eiskaltem flüssigem Methan fröhlich leben oder in Wassertropfen in der oberen Atmosphäre der Venus schweben?

Um es einfach zu halten, lautet das Mantra der NASA „Folge dem Wasser“. Das macht Sinn – Wasser ist für alles Leben auf der Erde, das wir kennen, unerlässlich. Ein Planet mit flüssigem Wasser hätte auch eine gemäßigte Umgebung. Es wäre nicht so kalt, dass es chemische Reaktionen verlangsamt, noch so heiß, dass es die komplexen Moleküle zerstört, die für das Leben notwendig sind.

Mit den schnell wachsenden Fähigkeiten der Astronomen zur Charakterisierung fremder Welten benötigen Astrobiologen jedoch einen Ansatz, der quantitativer und nuancierter ist als die Klassifizierung nach Wasser oder Nicht-Wasser.

Im Rahmen des von der NASA finanzierten Projekts Alien Earths, das ich leite, haben Astrobiologe Rory Barnes und ich mit einer Gruppe von Experten – Astrobiologen, Planetenwissenschaftlern, Exoplanetenexperten, Ökologen, Biologen und Chemikern – zusammengearbeitet, die aus dem größten Netzwerk von Exoplaneten- und Astrobiologieforschern, dem Nexus for Exoplanet System Science der NASA, oder NExSS, stammen.

Über hundert Kollegen haben uns Ideen geliefert, und zwei Fragen tauchten häufig auf: Erstens, wie wissen wir, was Leben braucht, wenn wir nicht das gesamte Spektrum des außerirdischen Lebens verstehen? Wissenschaftler wissen viel über das Leben auf der Erde, aber die meisten Astrobiologen sind sich einig, dass exotischere Lebensformen – möglicherweise basierend auf anderen Kombinationen chemischer Elemente und Lösungsmittel – möglich sind. Wie bestimmen wir, welche Bedingungen diese anderen Lebensformen benötigen könnten?

Zweitens muss der Ansatz mit unvollständigen Daten funktionieren. Potenzielle Standorte für Leben außerhalb der Erde – „extrasolare Lebensräume“ – sind sehr schwer direkt zu untersuchen und oft unmöglich zu besuchen und zu beproben.

Zum Beispiel bleibt der Mars-Untergrund größtenteils unerreichbar. Orte wie die Ozeane unter der Oberfläche des Jupitermondes Europa und des Saturnmondes Enceladus und alle extrasolaren Planeten bleiben praktisch unerreichbar. Wissenschaftler untersuchen sie indirekt, oft nur mit Fernerkundungsbeobachtungen. Diese Messungen können Ihnen nicht so viel sagen wie tatsächliche Proben.

Um die Sache noch schlimmer zu machen, haben Messungen oft Unsicherheiten. Zum Beispiel könnten wir nur zu 88 % sicher sein, dass Wasserdampf in der Atmosphäre eines Exoplaneten vorhanden ist. Unser Rahmenwerk muss in der Lage sein, mit kleinen Datenmengen zu arbeiten und Unsicherheiten zu handhaben. Und wir müssen akzeptieren, dass die Antworten oft nicht schwarz oder weiß sein werden.

Der neue Ansatz, das quantitative Habitabilitätsrahmenwerk, hat zwei Unterscheidungsmerkmale: Erstens haben wir uns von der vagen Frage „bewohnbar für Leben“ entfernt und sie auf eine spezifischere und praktisch beantwortbare Frage eingegrenzt: Würden die Bedingungen im Lebensraum – soweit wir sie kennen – es einer bestimmten (bekannten oder noch unbekannten) Spezies oder einem Ökosystem ermöglichen, zu überleben?

Sogar auf der Erde benötigen Organismen unterschiedliche Bedingungen, um zu überleben – es gibt keine Kamele in der Antarktis. Indem wir über spezifische Organismen sprechen, haben wir die Frage einfacher zu beantworten gemacht.

Zweitens besteht das quantitative Habitabilitätsrahmenwerk nicht auf schwarz-weißen Antworten. Es vergleicht Computermodelle, um eine probabilistische Antwort zu berechnen. Anstatt anzunehmen, dass flüssiges Wasser ein entscheidender limitierender Faktor ist, vergleichen wir unser Verständnis der Bedingungen, die ein Organismus benötigt (das „Organismusmodell“), mit unserem Verständnis der im Lebensraum vorhandenen Bedingungen (das „Lebensraummodell“).

Beide haben Unsicherheiten. Unser Verständnis von jedem kann unvollständig sein. Dennoch können wir die Unsicherheiten mathematisch handhaben. Durch den Vergleich der beiden Modelle können wir die Wahrscheinlichkeit bestimmen, dass ein Organismus und ein Lebensraum kompatibel sind.

Als vereinfachtes Beispiel könnte unser Lebensraummodell für die Antarktis besagen, dass die Temperaturen oft unter dem Gefrierpunkt liegen. Und unser Organismusmodell für ein Kamel könnte besagen, dass es bei kalten Temperaturen nicht lange überlebt. Überraschenderweise würden wir korrekt eine nahezu null Wahrscheinlichkeit vorhersagen, dass die Antarktis ein guter Lebensraum für Kamele ist.

Wir hatten viel Spaß bei der Arbeit an diesem Projekt. Um die Grenzen des Lebens zu untersuchen, haben wir Literaturdaten zu extremen Organismen gesammelt, von Insekten, die in den Himalaya-Hochlagen bei niedrigen Temperaturen leben, bis hin zu Mikroorganismen, die in hydrothermalen Quellen auf dem Meeresboden gedeihen und sich von chemischer Energie ernähren.

Wir haben über unsere Modelle untersucht, ob sie im Mars-Untergrund oder in Europas Ozeanen überleben könnten. Wir haben auch untersucht, ob marine Bakterien, die in den Ozeanen der Erde Sauerstoff produzieren, möglicherweise auf bekannten extrasolaren Planeten überleben könnten.

Obwohl umfassend und detailliert, macht dieser Ansatz wichtige Vereinfachungen. Zum Beispiel modelliert er noch nicht, wie das Leben den Planeten formen könnte, noch berücksichtigt er das vollständige Spektrum der Nährstoffe, die Organismen benötigen könnten. Diese Vereinfachungen sind beabsichtigt.

In den meisten der Umgebungen, die wir derzeit untersuchen, wissen wir zu wenig über die Bedingungen, um solche Modelle sinnvoll zu versuchen – außer für einige Körper im Sonnensystem, wie Saturns Enceladus.

Das quantitative Habitabilitätsrahmenwerk ermöglicht es meinem Team, Fragen zu beantworten, wie ob Astrobiologen an einem unterirdischen Standort auf dem Mars interessiert sein könnten, angesichts der verfügbaren Daten, oder ob Astronomen ihre Teleskope auf Planet A oder Planet B richten sollten, während sie nach Leben suchen. Unser Rahmenwerk ist als Open-Source-Computermodell verfügbar, das Astrobiologen jetzt problemlos verwenden und weiterentwickeln können, um bei aktuellen und zukünftigen Projekten zu helfen.

Wenn Wissenschaftler ein potenzielles Lebenszeichen entdecken, kann dieser Ansatz helfen zu beurteilen, ob die Umgebung, in der es entdeckt wird, tatsächlich die Art von Leben unterstützen kann, die zu dem entdeckten Zeichen führt.

Unsere nächsten Schritte werden darin bestehen, eine Datenbank mit terrestrischen Organismen zu erstellen, die in extremen Umgebungen leben und die Grenzen des Lebens darstellen. Zu diesen Daten können wir auch Modelle für hypothetisches außerirdisches Leben hinzufügen. Indem wir diese in das quantitative Habitabilitätsrahmenwerk integrieren, können wir Szenarien entwickeln, neue Daten von anderen Welten interpretieren und die Suche nach Lebenszeichen außerhalb der Erde – in unserem Sonnensystem und darüber hinaus – leiten.

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