Erstmals wurden erdähnliche Planeten in der Nähe anderer Sterne untersucht. „Sie werden von Exoplaneten überrascht sein“

Vierzig Lichtjahre von der Erde entfernt kreisen sieben kleine Planeten um einen schwachen Zwergstern. Sie ähneln der Erde in Größe und Zusammensetzung. Auf drei der sieben könnte es sogar Meere und Ozeane geben. Wer weiß, vielleicht lebt etwas; nur vielleicht können Sie es eines Tages herausfinden, indem Sie die Atmosphäre eines solchen Planeten untersuchen. Genau das tut das neue James-Webb-Weltraumteleskop diesen Herbst. Es ist das erste Mal, dass Astronomen die Atmosphäre von erdähnlichen Planeten gemessen haben. „Wir haben keine Ahnung, was uns erwartet“, sagt Yamila Miguel vom Leiden Observatory. ‚Es ist sehr aufregend.‘

Ende August gab ein internationales Team von Astronomen (einschließlich Miguel) bekannt, dass das Webb-Teleskop Kohlendioxid (CO₂) in der Atmosphäre des großen, heißen Gasplaneten Bocaprins. Er umkreist den sonnenähnlichen Stern Wasp-39 einmal alle vier Tage, 700 Lichtjahre von der Erde entfernt. „Aber Messungen auf kleinen Gesteinsplaneten sind viel schwieriger“, sagt Miguel. „Wir sind uns noch nicht einmal sicher, ob sie eine Atmosphäre haben.“

Seit Ende des letzten Jahrhunderts haben Astronomen mehr als fünftausend Planeten um andere Sterne entdeckt. Es gibt sie in allen Formen und Größen. Meistens sieht man sie nicht – sie werden von ihrem Mutterstern überstrahlt. Aber man findet sie indirekt. Zum Beispiel, weil ihre Schwerkraft den Stern zum Schaukeln bringt. Oder weil sie sich bei jeder Umlaufbahn vor dem Stern bewegen und ein winziges bisschen Sternenlicht abfangen.

Ein solcher „Transitplanet“ wurde erstmals 1999 mit einem kleinen Teleobjektiv vom Parkplatz eines Observatoriums in Colorado aus beobachtet. Der Riesenplanet HD209458b zieht alle 3,5 Tage an seinem Stern vorbei, wodurch er einige Stunden lang 1,5 Prozent dunkler als normal ist. Seitdem wurden mehrere tausend Exoplaneten mit der Übergangsmethode entdeckt, hauptsächlich vom Kepler-Weltraumteleskop.

Sara Seager von der Harvard University hat bereits im Jahr 2000 ausgerechnet, dass man bei einem solchen Übergang die Atmosphäre des Planeten schnuppern kann. „Das war ein wichtiger Artikel mit großem Vorhersagewert“, sagt Ignas Snellen, Exoplanetenforscher und seit kurzem wissenschaftlicher Direktor des Leiden Observatory. Die Idee ist, dass eine kleine Menge Sternenlicht durch die Atmosphäre des Planeten sickert und es etwas filtert. Durch die äußerst genaue Analyse des Sternenlichts können Sie herausfinden, welche Gase in der Atmosphäre des Planeten vorhanden sind.

Fingerabdruck

Snellen führt solche Messungen mit dem European Very Large Telescope in Chile durch. Vom Boden aus sei das nicht einfach, erklärt er, denn auch die Gase der Erdatmosphäre hinterlassen ihre Fingerabdrücke im Sternenlicht. „Dank eines sehr empfindlichen Spektroskops können wir diese Unterscheidung immer noch treffen. Wir waren zum Beispiel die ersten, die Kohlenmonoxid in der Atmosphäre eines gasförmigen Exoplaneten entdeckten, und wir konnten sogar Windmuster erforschen.“

Ein Teleskop im Weltraum ist von Störeffekten weniger betroffen, aber das Weltraumteleskop Hubble ist für diese Art der Forschung eigentlich zu klein, obwohl Hubble laut Snellen Wasserdampf in der Atmosphäre einiger Gasplaneten nachgewiesen hat. Darüber hinaus können die meisten Moleküle nur bei infraroten Wellenlängen „gesehen“ werden. Deshalb wurden die Ergebnisse des Webb-Teleskops mit Spannung erwartet: Es ist viel größer und empfindlicher als Hubble und betrachtet nur diese infrarote „Wärmestrahlung“.

Yamila Miguel beteiligte sich 2021 an Webbs Exoplaneten-Programm unter der Leitung von Natalie Batalha von der University of California in Santa Cruz. „Wir hatten wirklich keine Ahnung, was uns erwartet“, sagt sie. „Bei Exoplaneten weiß man immer eines sicher: dass man überrascht sein wird.“ Im März 2022 hielt das Team bei einem Doppelworkshop in Heidelberg und Baltimore eine Art Generalprobe auf Basis simulierter Sichtungsdaten ab. Mitte Juli wurden die realen Beobachtungen auf dem Planeten Bocaprins (Wasp-39b) durchgeführt und die dreihundert Teammitglieder erhielten Zugang zu den Ergebnissen.

Bisher wurde nur die Entdeckung von Kohlendioxid öffentlich gemacht. Aber laut Miguel wurde noch viel mehr gefunden. Demnächst erscheinen fünf Artikel in einer Themen-Sonderausgabe von Natur‚ Sie sagt. „Eigentlich ist es ziemlich speziell, dass bisher nichts durchgesickert ist.“ Übrigens der CO₂Messungen überraschen auch: Die Atmosphäre des Planeten scheint viel mehr Kohlenstoff und Sauerstoff zu enthalten als der Riesenplanet Jupiter in unserem eigenen Sonnensystem.

Zwergstern

Richtig spannend wird es bei den Webb-Beobachtungen der sieben kleinen Gesteinsplaneten des Zwergsterns Trappist-1 (der Name stammt von Michaël Gillon, dem belgischen Entdecker des Planetensystems). Einer dieser Planeten wurde bereits von Webb daraufhin untersucht, ob er überhaupt eine Atmosphäre hat. Wenn dies der Fall ist, können später Messungen an der Zusammensetzung vorgenommen werden. „Mit etwas Glück finden wir dort vielleicht Kohlenmonoxid und Wasserdampf“, sagt Snellen.

Vorhersagen wagt Miguel nicht – noch nie zuvor wurde die Atmosphäre erdähnlicher Exoplaneten untersucht. „Es ist ein erster Versuch“, sagt sie. „Wenn es erfolgreich ist, wird Webb sicherlich viele andere Kleinplaneten untersuchen.“ Dass wir in den kommenden Jahren viel über die Atmosphären ferner Riesenplaneten lernen werden – daran besteht zumindest kein Zweifel. Was die kleineren felsigen Exemplare betrifft, kann Webb hoffentlich herausfinden, auf welchen Planeten die richtigen Bedingungen für das Leben herrschen.

Und echte Beweise für die Existenz außerirdischen Lebens finden? Das wird vorerst auch in Zukunft so bleiben. Dann müssen sogenannte „Biomarker“ entdeckt werden – Moleküle, die auf biologische Aktivitäten auf der Planetenoberfläche hinweisen können, wie Sauerstoff, Ozon und Methan, und dafür ist selbst der 6,5-Meter-Spiegel des Weltraumteleskops nicht groß genug. Darüber hinaus sind sich die Wissenschaftler laut Miguel immer noch nicht einig darüber, welche Moleküle echte unbestreitbare Biomarker sind.

Es wird also viel Schnüffeln brauchen, bevor wir die Frage beantworten können, ob wir allein im Universum sind. „Aber“, sagt Miguel, „das ist es, wohin wir am Ende gehen.“