Seattle (USA) – Forschende haben ein umfassendes Computermodell der geochemischen Evolution der Erde über einen Zeitraum von 5 Milliarden Jahren erstellt – allerdings ohne den Einfluss von Leben. Genau dieser Faktor soll aber dabei helfen, künftig lediglich lebensfreundliche und tatsächlich belebte außerirdische Welten zu unterscheiden.
Copyright: ESA/Hubble, M. Kornmesser, CC BY 4.0
Wie lässt sich erkennen, ob ein ferner Planet tatsächlich Leben beherbergt oder lediglich potenziell lebensfreundliche Bedingungen aufweist? Diese Frage gehört zu den zentralen Herausforderungen der Astrobiologie.
Im Fachjournal „The Planetary Science Journal“ (DOI: 10.3847/PSJ/ae9d79) hat das Team um Samantha Gilbert-Janizek von der University of Washington dafür nun ein neues Werkzeug vorgestellt: eine virtuelle Erde, die den Austausch chemischer Stoffe zwischen Planetenkern, Mantel, Erdkruste, Oberfläche und Atmosphäre realitätsnah nachbildet – allerdings ohne biologische Einflüsse. Das von der NASA geförderte Modell soll künftig auch auf Gesteinsplaneten außerhalb unseres Sonnensystems angewendet werden.
Eine Erde ohne Leben als Vergleichsmaßstab
Astronomen haben inzwischen mehr als 6.000 Exoplaneten katalogisiert. Bei besonders vielversprechenden Kandidaten untersuchen sie deren Atmosphären auf chemische Verbindungen, die Hinweise auf biologische Aktivität liefern könnten. Besonders interessant sind dabei Planeten, auf deren Oberflächen flüssiges Wasser existieren könnte.
Allerdings ist eine lebensfreundliche Atmosphäre noch kein eindeutiger Beleg dafür, dass es auf einem solchen Planeten auch tatsächlich Leben gibt. Um mögliche Biosignaturen zuverlässig einordnen zu können, müssen Forscher zunächst wissen, welche atmosphärischen Bedingungen auch ohne biologische Prozesse entstehen können.
Genau hier setzt das neue Modell an. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler simulierten hierfür die geochemische Entwicklung der Erde über einen Zeitraum von fünf Milliarden Jahren – also von ihrer Entstehung vor rund 4,5 Milliarden Jahren bis etwa 500 Millionen Jahre in die Zukunft. Dabei berücksichtigten sie den Austausch chemischer Stoffe zwischen den verschiedenen Bereichen des Planeten, ließen jedoch sämtliche Einflüsse des Lebens außen vor.
Das Modell konnte nach Angaben des Forschungsteams 19 Eigenschaften der Erde korrekt reproduzieren, darunter den Wärmefluss durch den Erdmantel. Damit soll es eine belastbare Referenz dafür liefern, wie sich ein Gesteinsplanet ohne Leben entwickeln könnte.
Biologische von geologischen Signaturen und Prozessen unterscheiden
Die Bedeutung eines solchen Vergleichsmaßstabs zeigt sich am Beispiel der Erdatmosphäre: Pflanzen und Tiere geben kontinuierlich Sauerstoff und Methan an die Atmosphäre ab. Beide Gase reagieren miteinander und bauen sich gegenseitig ab. Dass sie dennoch gleichzeitig in größeren Mengen vorhanden sind, könnte für einen entfernten Beobachter ein Hinweis darauf sein, dass biologische Prozesse ihre Konzentrationen fortlaufend erneuern.
Allerdings können auch nichtbiologische Vorgänge die Zusammensetzung einer Planetenatmosphäre beeinflussen. Dazu zählen unter anderem Wärme und Gase aus dem Planeteninneren sowie die Strahlung des jeweiligen Sterns. Ohne ein Modell dieser Prozesse besteht die Gefahr, solche natürlichen Einflüsse fälschlich als Hinweise auf Leben zu interpretieren.
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Das neue Modell soll deshalb helfen, beobachtete Atmosphären zunächst mit einer möglichen Entwicklung ohne Leben abzugleichen. Dazu können Forscher grundlegende Eigenschaften eines interessanten Exoplaneten in die Simulation eintragen. Lässt sich dessen beobachtete Atmosphäre auch ohne biologische Einflüsse reproduzieren, wäre sie kein eindeutiger Hinweis auf Leben. Gelingt dies nicht, könnte der Planet für weitere Untersuchungen besonders interessant werden.
Grundlage für künftige Teleskope
Die Arbeit baut auf einem bereits zuvor entwickelten Modell aus der Forschungsgruppe von Rory Barnes auf. Frühere Versionen simulierten zwar Kern, Mantel und Kruste sowie den Einfluss der Sternstrahlung, berücksichtigten aber weder die Planetenoberfläche noch die Atmosphäre. Mit deren Einbindung sei nun erstmals eine zusammenhängende Simulation der wesentlichen geochemischen Systeme der Erde gelungen.
Nach Einschätzung der Forscher könnte das Modell auch bei der Planung künftiger Weltraumteleskope helfen. Dazu zählt das von der NASA vorgeschlagene „Habitable Worlds Observatory“, das gezielt Atmosphären ferner erdähnlicher Planeten untersuchen und nach möglichen Lebenszeichen suchen soll.
Die Entwicklung solcher Instrumente erfordert langfristige Forschungsarbeit. Das neue Erdmodell könnte dafür eine wichtige Grundlage liefern: Es soll helfen, die Aussagekraft möglicher Biosignaturen besser einzuschätzen und damit die Suche nach Leben außerhalb unseres Sonnensystems gezielter zu gestalten. kkk
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Recherchequelle: University of Washington
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