Nutzung der beleuchteten Atmosphäre von Planeten zur Suche nach außerirdischem Leben

Stern beleuchtet die Atmosphäre des Planeten

Trotz der Tatsache, dass Astronomen kürzlich Tausende von Exoplaneten entdeckt haben , ist es eine komplexe Aufgabe, die Bewohnbarkeit eines solchen Planeten zu bestimmen. Da wir diese Planeten nicht direkt untersuchen können, müssen Wissenschaftler nach indirekten Zeichen suchen. Sie sind als Biomarker bekannt und bestehen aus dem Auftreten chemischer Nebenprodukte, die wir mit organischem Leben verbinden und die in der Atmosphäre des Planeten auftreten.

In einer neuen Studie bietet das Wissenschaftlerteam der NASA eine neue Methode an, um potenzielle Lebenszeichen außerhalb des Sonnensystems zu finden. Sie schlagen vor, die häufigen Sternstürme junger Zwergsterne auszunutzen. Diese Stürme werfen riesige Wolken aus Sternmaterial und Strahlung in den Weltraum, interagieren mit der Atmosphäre von Exoplaneten und geben Biomarker ab, die wir nachweisen können.

Kürzlich erschien in der Zeitschrift Nature Scientific Reports eine Studie mit dem Titel " Lebenssignale Lichter in Exoplanetenatmosphären um Sterne der Klassen G und K ". Es wurde von Vladimir Ayrapetyan geleitet, einem führenden Astrophysiker der Heliophysics Science Division (HSD ) des Goddard Space Flight Center der NASA. Zu seinem Team gehörten Mitglieder des Langley Research Center der NASA, von Science Systems and Applications Incorporated (SSAI ) und der American University.


Die Signallichter des Lebens können Forschern helfen, potenziell bewohnte Welten zu identifizieren

Normalerweise suchen Forscher nach Anzeichen für das Vorhandensein von Sauerstoff und Methan in der Atmosphäre von Exoplaneten, da sie die bekannten Nebenprodukte organischer Prozesse sind. Im Laufe der Zeit sammeln sich diese Gase an und erreichen solche Konzentrationen, die spektroskopisch nachgewiesen werden können. Dieser Ansatz ist jedoch zeitaufwändig und erfordert Astronomen viele Arbeitstage, wenn sie versuchen, das Spektrum von einem entfernten Planeten aus zu sehen.

Hayrapetyan und Kollegen argumentieren, dass man auf den potenziell bewohnten Welten nach unhöflicheren Zeichen suchen kann. Eine solche Suche basiert auf vorhandenen Technologien und Ressourcen und nimmt viel weniger Zeit in Anspruch. Arapetyan erklärte in einer Pressemitteilung Folgendes:

Wir suchen nach Molekülen, die durch die notwendigen Grundbedingungen für die Existenz des Lebens gebildet werden - insbesondere nach molekularem Stickstoff, der 78% unserer Atmosphäre ausmacht. Dies sind grundlegende biologisch freundliche Moleküle, die starke Infrarotwellen aussenden können, was unsere Chancen erhöht, sie zu entdecken.

Am Beispiel der Erde entwickelten Hayrapetyan und sein Team eine neue Methode zur Suche nach Anzeichen von Nebenprodukten wie Wasserdampf, Stickstoff und Sauerstoff in Exoplanetenatmosphären. Am schwierigsten ist es jedoch, extreme Weltraumwetterereignisse auf aktiven Zwergsternen auszunutzen. Diese Ereignisse setzen Planetenatmosphären Strahlungsblitzen aus und verursachen chemische Reaktionen, die Astronomen sehen können.


Die Idee des Künstlers von einem kalten roten Stern über einem entfernten Exoplaneten

Für Sterne wie unsere Sonne, einen gelben Zwerg der G-Klasse, treten solche Wetterereignisse häufig in ihrer Jugend auf. Andere gelbe und orangefarbene Sterne bleiben jedoch Milliarden von Jahren aktiv, und auf ihnen treten Stürme energiereicher geladener Teilchen auf. Und rote Zwerge der Klasse M, die häufigsten Sterne im Universum, bleiben ihr ganzes Leben lang aktiv und bombardieren ihre Planeten regelmäßig mit Mini-Blitzen.

Bei Erreichen von Exoplaneten reagieren Fackeln mit der Atmosphäre und führen zur Zersetzung von Stickstoff N ₂ und Sauerstoff O ₂ in Atome und Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff. Der zerfallene Stickstoff und Sauerstoff verursachen eine Kaskade chemischer Reaktionen mit dem Auftreten von Hydroxyl-OH, mehr molekularem Sauerstoff O ₂ und Stickoxid NO - dies sind ihre Wissenschaftler, die atmosphärische Signale nennen.

Diese Moleküle absorbieren die Energie des Lichts eines Sterns, der die Atmosphäre erreicht, und senden Infrarotstrahlung aus. Durch die Untersuchung bestimmter Wellenlängen dieser Strahlung können Wissenschaftler das Vorhandensein bestimmter Chemikalien bestimmen. Die Signalstärke dieser Elemente zeigt auch den atmosphärischen Druck an. Zusammen ermöglichen die erhaltenen Daten den Wissenschaftlern, die Dichte und Zusammensetzung der Atmosphäre zu bestimmen.

Seit Jahrzehnten verwenden Astronomen ein Modell, um die Bildung von O ₃ -Ozon in der Erdatmosphäre aus Sauerstoff zu berechnen, der der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Mit demselben Modell konnten Hayrapetyan und Kollegen unter Berücksichtigung der von kalten aktiven Sternen erwarteten Wetterereignisse genau berechnen, wie viel Stickoxid und Hydroxyl sich in der erdähnlichen Atmosphäre bilden und wie viel Ozon zerstört werden sollte.


NASA TIMED-Raumschiff beobachtet 15 Jahre lang die Erdatmosphäre (Abbildung)

Zu diesem Zweck nahmen sie Daten aus der Mission Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics Dynamics ( TIMED ) und untersuchten die Bildung solcher atmosphärischer Signale in der Erdatmosphäre. Insbesondere verwendeten sie Daten aus dem SABRE- Tool, mit denen sie simulieren konnten, welche Infrarotstrahlung von Signalchemikalien in Exoplanetenatmosphären erhalten werden kann.

Wie von Martin Mlynczak, Forschungsleiter am Langley Research Center, und Co-Autor von:

In Anbetracht dessen, was wir über Infrarotstrahlung aus der Erdatmosphäre wissen, haben wir uns entschlossen, Exoplaneten zu untersuchen und herauszufinden, welche Signale wir von ihnen erfassen können. Wenn wir Signale von Exoplaneten finden, die ungefähr die gleichen Proportionen wie von der Erde haben, können wir sagen, dass dieser Planet ein guter Kandidat für die Unterstützung des Lebens ist.

Sie fanden heraus, dass die Häufigkeit starker Sternstürme in direktem Zusammenhang mit der Stärke der thermischen Signale steht, die von den Signalsubstanzen in der Atmosphäre kommen. Je mehr Stürme auftreten, desto mehr Signalmoleküle werden erzeugt, wodurch ihre Signale stark genug sind, um mit Weltraumteleskopen in nur zwei Stunden Beobachtung von der Erde aus sichtbar zu sein.


Blick auf den Exoplaneten von seinem Mond (aus Sicht des Künstlers)

Sie fanden auch heraus, dass diese Methode es uns ermöglicht, Exoplaneten auszusortieren, die kein erdähnliches Magnetfeld haben, das auf natürliche Weise mit geladenen Teilchen der Sonne interagiert. Das Vorhandensein eines solchen Feldes stellt sicher, dass die Atmosphäre nicht vom Planeten wegbläst und daher für die Bewohnbarkeit notwendig ist. Wie Hayrapetyan erklärte :

Der Planet braucht ein Magnetfeld, das die Atmosphäre vor Sternstürmen und Strahlung schützt. Wenn die Sternwinde nicht so stark sind, dass sie das Magnetfeld des Exoplaneten an seine Oberfläche drücken, verhindert das Magnetfeld den Verlust der Atmosphäre, es verbleiben mehr Partikel darin, was ein stärkeres Infrarotsignal ergibt.

Dieses Modell ist aus vielen Gründen wichtig. Es zeigt, wie detaillierte Studien der Erdatmosphäre und ihrer Wechselwirkungen mit dem Weltraumwetter zur Untersuchung von Exoplaneten verwendet werden. Es kann auch neue Studien über die Eignung von Exoplaneten für das Leben von Sternen bestimmter Klassen ermöglichen - sowohl in Gelb und Orange als auch in kalten roten Zwergen.

Rote Zwerge sind die häufigsten Sterne im Universum. In Spiralgalaxien beträgt ihre Ordnung 70% und in elliptischen Galaxien 90%. Darüber hinaus schätzen Astronomen aufgrund der jüngsten Entdeckungen die Wahrscheinlichkeit, dass Rotzwergsysteme von felsigen Planeten auftauchen. Das Forscherteam schlägt außerdem vor, dass Weltrauminstrumente der nächsten Generation wie das James Webb-Teleskop die Wahrscheinlichkeit erhöhen, mit diesem Modell bewohnte Planeten zu finden.


Als Künstler stellt er sich einen Planeten im Orbit um einen Stern Alpha Centauri B vor - ein Mitglied des der Erde am nächsten gelegenen Dreifachsternsystems.

William Danchi, Astrophysiker am Goddard Center und Mitautor der Studie, sagte:

Neue Ideen über die Möglichkeit des Lebens auf Exoplaneten hängen in hohem Maße von interdisziplinärer Forschung ab, die Daten, Modelle und Technologien verwendet, die aus den vier Abteilungen des Goddard-Zentrums stammen: Heliophysik, Astrophysik, Planeten- und Geowissenschaften. Diese Mischung bietet einzigartige und vielversprechende Möglichkeiten, Exoplaneten zu untersuchen.

Bevor wir Exoplaneten direkt untersuchen können, bleiben alle Entwicklungen, die Biomarker sichtbarer und leichter zu erkennen machen, äußerst wichtig. In den kommenden Jahren hoffen die Projekte Project Blue und Breakthrough Starshot , die erste direkte Forschung zum Alpha Centauri-System durchführen zu können. Aber im Moment sind die verbesserten Modelle, die uns helfen, nach potenziell bewohnten Exoplaneten aus unzähligen Sternen zu suchen, von unschätzbarem Wert!

Sie verbessern nicht nur unser Wissen über die Häufigkeit des Auftretens solcher Planeten erheblich, sondern können uns sogar helfen, einen oder mehrere der Planeten Erde 2.0 zu finden!