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Gibt es Leben auf einem fernen Planeten? Eine Möglichkeit, wie Astronomen versuchen, dies herauszufinden, ist die Analyse des Lichts, das von der Atmosphäre eines Planeten gestreut wird. Ein Teil dieses Lichts, das von den Sternen stammt, die er umkreist, hat mit seiner Atmosphäre interagiert und liefert wichtige Hinweise auf die darin enthaltenen Gase. Wenn Gase wie Sauerstoff, Methan oder Ozon nachgewiesen werden, könnte dies ein Hinweis auf die Anwesenheit von Lebewesen sein. Solche Gase werden als Biosignaturen bezeichnet. Ein Team von Forschende der EPFL und der Universität Tor Vergata in Rom hat ein statistisches Modell entwickelt, das Astronominnen bei der Interpretation der Ergebnisse der Suche nach diesen «Lebenszeichen» hilft. Ihre Forschungsergebnisse wurden soeben in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.
Seit der Entdeckung des ersten Exoplaneten – ein Planet, der einen anderen Stern als die Sonne umkreist – vor 25 Jahren wurden über 4 300 weitere identifiziert. Und die Liste wird immer länger: Alle zwei oder drei Tage wird ein neuer Planet entdeckt. Etwa 200 der bisher gefundenen Exoplaneten sind tellurisch, d.h. sie bestehen, wie die Erde, hauptsächlich aus Gestein. Das ist zwar nicht die einzige Voraussetzung dafür, dass ein Planet Leben beherbergen kann – er muss auch Wasser und einen gewissen Abstand zu seiner Sonne haben –, aber es ist ein Kriterium, nach dem die Astronomen ihre Suche fokussieren.
In den kommenden Jahren wird der Einsatz der Gasspektroskopie zum Nachweis von Biosignaturen in der Atmosphäre von Planeten ein immer wichtigeres Element der Astronomie werden. In diesem Bereich laufen bereits viele Forschungsprogramme, wie zum Beispiel für den Exoplaneten-Jagdsatelliten CHEOPS, der im Dezember 2019 in die Umlaufbahn gebracht wurde, und das optische James-Webb-Teleskop, das im Oktober 2021 gestartet werden soll.
Beginnen mit einer Unbekannten
Während bei der Entdeckung exoplanetarer Biosignaturen grosse Fortschritte erzielt wurden, bleiben einige Fragezeichen bestehen. Was sind die Auswirkungen dieser Art von Forschung? Und wie sollten wir die Ergebnisse interpretieren? Was ist, wenn nur eine einzige Biosignatur auf einem Planeten entdeckt wird? Oder was, wenn keine Biosignaturen entdeckt werden – was sollten wir daraus schliessen? Fragen dieser Art wollten die Forschenden mit ihrem neuen Modell beantworten.
Ihre Arbeit geht das Problem aus einem neuen Blickwinkel an. Traditionell haben Astronominnen auf der Grundlage dessen, was wir über das Leben und die biologische Evolution auf der Erde wissen, nach Leben auf einem anderen Planeten gesucht. Aber mit ihrer neuen Methode begannen die Forschende mit einer Unbekannten: Wie viele andere Planeten in unserer Galaxie haben irgendeine Form von Leben? Ihr Modell berücksichtigt Faktoren wie die geschätzte Anzahl anderer sonnenähnlicher Sterne in der Galaxie und wie viele tellurische Planeten in einer bewohnbaren Entfernung von diesen Sternen kreisen könnten. Es verwendet die Bayes'sche Statistik – besonders gut geeignet für kleine Stichprobengrössen – um die Wahrscheinlichkeit von Leben in unserer Galaxie zu berechnen, basierend darauf, wie viele Biosignaturen entdeckt werden: eine, mehrere oder gar keine.
«Intuitiv macht es Sinn, dass, wenn wir Leben auf einem anderen Planeten finden, es wahrscheinlich viele andere in der Galaxie mit irgendeiner Art von Lebewesen gibt. Aber wie viele?», sagt Amedeo Balbi, Professor für Astronomie und Astrophysik in Tor Vergatas Departement für Physik. «Unser Modell verwandelt diese intuitive Annahme in eine statistische Berechnung und lässt uns genau bestimmen, was die Zahlen in Bezug auf Menge und Häufigkeit bedeuten.»
«Astronominnen und Astronomen verwenden bereits verschiedene Annahmen, um zu beurteilen, wie glaubwürdig Leben auf einem bestimmten Planeten ist», sagt Claudio Grimaldi, Wissenschaftler am Laboratorium für Physik der komplexen Materie (LPMC) der EPFL, das auch dem Enrico-Fermi-Forschungszentrum in Rom angegliedert ist. «Eines unserer Forschungsziele war es daher, eine Methode zu entwickeln, um diese Annahmen im Hinblick auf die neuen Daten, die in den kommenden Jahren gesammelt werden, abzuwägen und zu vergleichen.»
Ausbreitung von einem Planeten zum anderen
Angesichts der geringen Zahl von Planeten, die in naher Zukunft wahrscheinlich untersucht werden, und unter der Annahme, dass sich auf einem Planeten unabhängig voneinander Leben entwickeln wird, kam die Studie von EPFL und Tor Vergata zu dem Schluss, dass wir, wenn auch nur eine einzige Biosignatur entdeckt wird, mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 95 % darauf schliessen können, dass es in der Galaxie über 100 000 bewohnte Planeten gibt und damit mehr als die Zahl der Pulsare – Objekte, die aus der Explosion eines massereichen Sterns am Ende seines Lebens entstehen. Wenn andererseits keine Biosignaturen entdeckt werden, können wir nicht unbedingt schlussfolgern, dass keine anderen Lebensformen irgendwo in der Milchstrasse existieren.
Die Forschenden befassten sich auch mit der Theorie der Panspermie, die besagt, dass Lebensformen, anstatt unabhängig voneinander auf einem bestimmten Planeten zu entstehen, von einem anderen Planeten übertragen werden könnten – beispielsweise durch organische Materie oder mikroskopisch kleine Organismen, die auf Kometen transportiert werden oder sich zwischen benachbarten Planeten ausbreiten. Dies impliziert, dass die Wahrscheinlichkeit von Leben auf einem Planeten auch davon abhängt, wie weit er von anderen Planeten entfernt ist und wie leicht verschiedene Lebensformen – deren physikalische Eigenschaften sich extrem von den uns bekannten unterscheiden könnten – in der Lage sind, den extremen Bedingungen der Raumfahrt zu widerstehen und sich an den neuen Planeten anzupassen. Die Berücksichtigung der Panspermie verändert die daraus abgeleitete Zahl der bewohnten Planeten an anderen Orten in der Galaxie.