Dieses geplante NASA-Teleskop könnte uns helfen, Welten wie unsere eigene zu identifizieren

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Künstlerische Darstellung eines Pantheons erdähnlicher Planeten
NASA / Ames / JPL-Caltech

Obwohl die James Webb-Weltraumteleskop Die NASA wurde erst vor zwei Jahren ins Leben gerufen und hat bereits ihr nächstes weltraumgestütztes Flaggschiff-Teleskop im Blick: das Habitable Worlds Observatory (HWO). Während sich das neue Instrument noch in der Planungsphase befindet und möglicherweise erst in mindestens einem Dutzend Jahren auf den Markt kommt, sind Astronomen bereits von seinem Potenzial begeistert. Das neue Teleskop könnte endlich zeigen, ob Leben auf Welten außerhalb unseres Sonnensystems existiert.

Jede Entdeckung von Leben auf einem Exoplaneten – einem Planeten, der einen anderen Stern als unsere Sonne umkreist – wäre „ein entscheidender Moment für die Menschheit“, sagt Mark Clampin, Direktor der Astrophysik-Abteilung im NASA-Hauptquartier in Washington, „denn schließlich würden wir es tun.“ wissen, dass wir nicht allein im Universum sind.“

Das Habitable Worlds Observatory wurde erstmals als Teil der National Academy of Sciences vorgeschlagen. Dekadische Umfrage zu Astronomie und Astrophysik 2020, eine zehnjährige Roadmap, die die wichtigsten Ziele für die Astronomie-Community darlegt. Im Gegensatz zu Webb, das hauptsächlich Infrarotlicht sammelt, würde HWO im sichtbaren und ultravioletten Licht arbeiten, um die Fähigkeiten der anderen Teleskope nicht zu übertreffen. Aber HWO und Webb werden etwas gemeinsam haben: Sie werden „Nachbarn“ sein, wobei das neue Instrument schließlich eine Position am sogenannten L2-Lagrange-Punkt einnehmen wird, einem stabilen Ort, von dem aus gesehen etwa 930.000 Meilen „hinter“ der Erde liegen Die Sonne. Im Gegensatz zu Webb wird das Habitable Worlds Observatory jedoch so konzipiert, dass es in Zukunft von Robotern gewartet werden kann – was möglicherweise die Dauer seiner Mission verlängert und langfristig die Kosten senkt. Das tatsächliche Budget des Teleskops liegt im Ermessen des Kongresses, die Decadal Survey schlug jedoch einen Betrag von etwa 11 Milliarden US-Dollar vor. Unter der Annahme, dass es finanziert wird, würde HWO irgendwann in den späten 2030er oder frühen 2040er Jahren starten.


Die größte Herausforderung bei der Untersuchung von Exoplaneten besteht darin, dass das Licht des Muttersterns das schwache, von der Planetenoberfläche reflektierte Licht überstrahlt. Die Standardlösung besteht darin, ein Gerät namens Koronograph einzusetzen. Im Inneren des Teleskops befindet sich ein Koronagraph, der das Licht eines Sterns ausblendet, sodass das schwächere Licht von nahegelegenen Planeten aufgezeichnet werden kann. Webb hat einen Coronagraphen und hat ihn tatsächlich mehrere Exoplaneten abgebildet bereits – aber es fehlt die Fähigkeit, sich kleine, felsige Welten ähnlich unserer eigenen vorzustellen.

Was Wissenschaftler wirklich finden wollen, sind erdähnliche Planeten, die innerhalb der sogenannten habitablen Zone ihres Muttersterns kreisen – was bedeutet, dass die Temperatur so hoch ist, dass flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche existieren könnte. Um diese winzigen Welten direkt abzubilden, reicht ein Koronograph allein nicht aus. Das liegt daran, dass aufgrund der Wellennatur des Lichts immer ein Teil des überschüssigen Lichts des Muttersterns am Koronographen vorbei austritt und das Bild beeinträchtigt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, benötigt HWO Präzisionsoptiken, die sogar die von Webb übertreffen können. Das neue Teleskop wird Spiegel verwenden, die sich in Echtzeit automatisch und ganz leicht verformen können, um die Auswirkungen des Streulichts, das am Koronographen vorbeikommt, zu minimieren. Dazu muss die Position der Spiegeloberfläche auf mehrere zehn Pikometer genau kontrolliert werden, sagt Clampin. Ein Pikometer ist ein Billionstel Meter und damit kleiner als der Durchmesser eines typischen Atoms. Diese Technologie wird bereits für den Einsatz bei einer anderen Mission entwickelt – der Römisches Weltraumteleskop Nancy Graceein Infrarot-Teleskop zur Untersuchung der kosmischen Struktur und dunkle Energiederen Markteinführung noch in diesem Jahrzehnt geplant ist.

Aber das Habitable Worlds Observatory wird nicht nur Bilder aufnehmen. Eines der Hauptziele des neuen Instruments wird darin bestehen, mithilfe eines Spektrographen das Licht dieser fernen Welten in ein Spektrum aufzuteilen, das dann auf spezifische Signale analysiert werden kann, die mit bestimmten Chemikalien in der Atmosphäre des Planeten verbunden sind. Einige dieser Chemikalien, sogenannte Biomarker, könnten ein Signal dafür sein, dass etwas auf der Oberfläche des Planeten lebt.

Ein offensichtlicher Kandidat für einen Biomarker wäre das Vorhandensein von Sauerstoff. Aber Sauerstoff allein deutet nicht automatisch auf Leben hin, erklärt Eliza Kempton, eine Astronomin an der University of Maryland, die sich auf Exoplaneten spezialisiert hat. „Sauerstoff kann in einer Atmosphäre in großen Mengen produziert werden, selbst wenn dort kein Leben vorhanden ist, allein durch grundlegende Chemie“, sagt sie.

Eine gute Strategie besteht darin, sich auf bestimmte Kombinationen von Gasen zu konzentrieren, sagt die Astronomin Lisa Kaltenegger von der Cornell University Sauerstoff und Methan, Zum Beispiel. Allerdings ist es schwierig, ein Signal als Lebenszeichen zu identifizieren, da beide Gase auch durch nichtbiologische Prozesse verursacht werden können. Vulkane und hydrothermale Quellen können beispielsweise Methan produzieren, und Strahlung kann Wassermoleküle spalten und so Sauerstoff erzeugen. Die Entdeckung eines Planeten, der gleichzeitig Methan und Sauerstoff enthält, würde jedoch darauf hindeuten, dass auf der Oberfläche des Planeten etwas passiert, das die Versorgung mit beiden Gasen immer wieder erneuert. Auf unserem Planeten produzieren Pflanzen Sauerstoff, während Tiere Methan produzieren.

Diese Kombination aus Methan und Sauerstoff zu finden, wäre kein Volltreffer, aber es würde sicherlich die Augenbrauen hochziehen, sagt Kaltenegger, der auch das Carl Sagan Institute in Cornell leitet. „Wenn Sie einen Planeten in seiner bewohnbaren Zone haben und dann diese Kombination aus Sauerstoff und Methan sehen, würde ich sagen: Okay, wir haben dafür keine andere Erklärung als das Leben.“

Wasser könnte ebenfalls ein wichtiger Hinweis sein – aber wie beim Sauerstoff wäre Wasser allein nicht eindeutig. Die Kombination von Wasser – das möglicherweise als Wasserdampf in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachweisbar ist – und anderen Schlüsselgasen wäre der stärkste Beweis für die Existenz von Leben.

Wenn Astronomen ein solches Signal auch nur auf einem Exoplaneten finden würden, wäre das ein Game Changer, sagt Kaltenegger. „Wenn wir nur einen anderen Planeten mit Lebenszeichen finden, bedeutet das, dass das Universum voller Leben ist. Zumindest für mich würde das mein Weltbild revolutionieren.“

So aufgeregt die Astronomen auch sind, sie sind sich auch darüber im Klaren, dass es angeblich Hinweise auf Leben außerhalb der Erde gibt überhyped in der Vergangenheit, nur um die Öffentlichkeit desillusioniert zurückzulassen. Diejenigen, die in den 1990er Jahren dabei waren, erinnern sich vielleicht an den berühmten „Mars-Meteoriten“, der angeblich enthalten war versteinerte Mikroorganismenoder, neuerdings, behauptet, dass die Chemikalie Phosphin, die möglicherweise mit Leben in Zusammenhang stehen, wurden in der Atmosphäre der Venus entdeckt. Am Ende haben diese und viele andere Behauptungen nicht Bestand gehabt.

„Es gab diese großen Behauptungen, die den Eindruck erwecken, wow, wir hätten Leben außerhalb der Erde gefunden“, warnt Kempton. „Ein großes Ziel der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht derzeit darin, herauszufinden, wie die Botschaft richtig übermittelt werden kann. Wir wollen nicht, dass die Leute denken: ‚Oh, wir haben das Leben gefunden‘, und dann müssen wir es zurückziehen.“

Dennoch glaubt sie, dass so viel auf dem Spiel steht, dass sich die Suche durchaus lohnt – und ein Teleskop wie das Habitable Worlds Observatory könnte unsere beste Wahl sein, um einige uralte Fragen zu klären. „Ist das Leben im Universum hier auf der Erde nur einmal entstanden, und wir haben einfach so viel Glück und sind etwas ganz Besonderes?“ sagt Kempton. „Oder geschieht dies regelmäßig durch natürliche Prozesse, die auf vielen Planeten ablaufen und es dort draußen alle Arten von Leben gibt?“

Wenn wir tatsächlich Leben außerhalb der Erde finden, ist die Wahrscheinlichkeit, dass es sich dabei um einen schleimigen, algenähnlichen Organismus handelt, mit Sicherheit weitaus größer als bei irgendetwas, mit dem wir uns unterhalten könnten – schließlich gediehen Algen und Bakterien schon Milliarden von Jahren auf unserem eigenen Planeten die ersten Säugetiere kamen. Dennoch würde eine solche Entdeckung unseren Platz im Universum in einem neuen Licht erscheinen lassen. „Wer hat nicht schon einmal in den Nachthimmel geschaut und sich gefragt: Sind wir allein?“ sinniert Clampin. „Gibt es da draußen noch andere Lebensformen?“

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