Die Suche nach Leben außerhalb des Sonnensystems – Die Exoplaneten

Gehen wir nun über zu den Planeten.

Bis vor zwanzig Jahren kannten wir nur unser Sonnensystem als Beispiel für ein Planetensystem. Seitdem haben wir über 130 weitere entdeckt. Das Grundproblem ist, das trotz immer stärker verfeinerter Messtechnik wir noch nicht in der Lage sind, einen Planeten von der Größe und Entfernung von der Sonne wie unsere Erde bei einem anderen Stern zu entdecken. Bis auf wenige Ausnahmen wurden die meisten Planeten durch ihre gravitativen Auswirkungen auf den Stern bestimmt, wobei es verschiedene Methoden gibt. Nur ist die Auswirkung der Erde zu gering. Heute (2012) liegt die Nachweisgrenze bei etwa 11-facher Erdmasse in der Distanz von 1AE um einen Stern. Man kann eine zweite „Erde“ näher am Stern entdecken, nur wäre dann zu heiß für die Entstehung von Leben.

Was wir bisher kennen, sind sehr schwere Gasriesen. Einige sind so nahe am Stern, dass sie regelrecht verdampft werden. Mit fortschreitender Verbesserung der Instrumente kennen wir auch „Supererden“, also Planeten aus Gestein, aber vielfacher Erdmasse. Sie sind genauso ungeeignet für Leben. Es ist nicht die Gravitation (eine Supererde mit 10-Facher Erdmasse und einer mittleren Dichte von 8 g/cm³ (sie nimmt wegen der Kompression durch den Druck zu, je schwerer ein Planet ist) hätte einen Durchmesser von 24.200 km und eine Oberflächengravitation von 27,3 m/s) sondern dass dieser Planet viel bessere Chancen hat, Gase zu binden. Er hätte eine dichte Atmosphäre mit einem hohen Treibhauseffekt.

Was passieren kann, wenn dies vorliegt, oder man außerhalb der habitablen Zone ist, also einer Zone, die geeignete Oberflächentemperaturen zu ergeben, zeigt sich an der Venus.

Die Venus wäre, wenn sie keine Atmosphäre hätte, noch in der habitablen Zone, die meist mit Oberflächentemperaturen von 0 bis 100°C verknüpft wird. Ohne Atmosphäre wäre es dort im Mittel 38°C warm. Wenn unsere Erde an dieser Stelle wäre, dann wären es 56°C. Doch durch den Treibhauseffekt konnte auf der Venus niemals Wasser auskondensieren. Es kam zu einer Rückkopplung, in der immer höhere Oberflächentemperaturen immer mehr Gase freisetzten, bis schließlich die Atmosphäre so heiß wurde, dass Wasser mit dem Gestein, vor allem Metallen reagierte. Das zeigt, dass die habitable Zone durchaus ein schwammiger Begriff ist. Die Venus liegt eigentlich drinnen, genauso ist es auf dem Mars am Äquator noch 0°C warm, und wenn er eine dichtere Atmosphäre, wie unsere hätte, wäre er auch drin. Aber beide sind unbelebt. Auch die obere Temperaturgrenze von 100°C ist sehr hoch angesetzt. Es gibt Bakterien, die diese Temperaturen tolerieren, doch höhere Lebewesen bekommen schon bei 60°C Probleme, weil dann die ersten empfindlichen Eiweißverbindungen denaturiert werden. Bei der Pasteurisierung von Milch reichen schon 72 bis 75°C über nur 15 Sekunden aus, um fast alle Bakterien abzutöten. Umgekehrt existiert Leben in den arktischen Gewässern, aber bei nur +2°C Wassertemperatur wachsen dort Korallen, aber auch Seesterne etc. im Zeitlupentempo. Kälte kann von Lebewesen zwar besser ertragen werden als Hitze, aber sie hat den Nachteil, dass aufgrund der niedrigen Temperatur alle Stoffwechselvorgänge langsamer ablaufen. Von irdischen Organismen im Einzellerstadium weiß man, dass 10°C mehr oder weniger die Stoffwechselrate halbiert oder verdoppelt. Auf einem Planeten der Temperaturen gerade über dem Gefrierpunkt aufweisen würde, würde die Entstehung von Leben daher sehr lange dauern.

Unser Sonnensystem ist ein Paradebeispiel, was alles nötig ist, um Leben zu ermöglichen. Der Mars ist zu klein, und ohne Magnetfeld nicht vor der kosmischen Strahlung geschützt. Kein Magnetfeld hat auch der Merkur, der zu sonnennah ist und zu heiß. Zudem hat er auch keine Atmosphäre und die nahe Position an der Sonne führte zu einer gebundenen Rotation – ein Tag dauert auf Merkur glatte 176 Tage. Die Venus hat auch kein Magnetfeld, sie ist aber groß genug eine Atmosphäre zu halten, doch durch ihre sonnennahe Position ist es durch die dichte Atmosphäre auf ihr heißer als auf dem Merkur. Zudem rotiert sie retrograd in 243 Tagen um die Achse. Der Mars wiederum ist zu klein um eine Atmosphäre zu halten, die Oberfläche durch kosmische Strahlung sterilisiert und reich an Peroxiden und anderen oxidierenden Substanzen. Der kleine Planet kühlte auch schnell aus und hat ebenfalls kein Magnetfeld./p>

Damit man als erdähnlicher Planet ein schützendes Magnetfeld hat, benötigt man entweder eine sehr hohe Masse, dann bleibt der Eisenkern lange Zeit flüssig und natürliche, langsame Strömungen induzieren ein Magnetfeld oder einen großen Mond, der durch die Gezeitenkräfte den flüssigen Kern in Rotation hält. Unser Mond, das wissen wir, entstand mit viel Glück. Es war ein seitlicher Treffer eines marsgroßen Protoplaneten, der die Erde traf. Wäre er nicht seitlich erfolgt, so wäre die Erde gesprengt worden. Hätte er die Erde nur gestreift, so wäre nicht der Mond entstanden.

Unser Mond hat sehr weitreichende Folgen auf die Entstehung von Leben gehabt. Zum einen stabilisiert er die Rotationsachse. Beim Mars schwankt die Neigung der Rotationsachse zur Umlaufbahn zwischen 0 und 80 Grad. Zum Zweiten induziert er das Magnetfeld. Er verhindert, dass der Keren wie bei der Venus erkaltet und Strömungen zum Erliegen kommen. Der Mond zieht nicht nur das Wasser an und erzeugt so Ebbe und Flut, er wirkt auch auf das Gestein und bewirkt so, dass der Kern der Erde zumindest teilweise flüssig ist und das Eisen, aus dem verwiegend besteht sich bewegt und so ein Magnetfeld induziert. Das Magnetfeld schützt uns vor dem Sonnenwind und auch einem Teil der kosmischen Strahlung. Sie dringt bei der Venus, die sonst in Größe und Masse der Erde ähnelt, bis zur Atmosphäre vor. Der Mond hat auch die Rotationsgeschwindigkeit abgebremst. Die Erde rotierte kurz nach ihrer Entstehung in nur wenigen Stunden um die eigene Achse. Der Gezeiteneffekt sorgte für enorm, hohe Flutwellen, welche das Gestein zu Sediment zerkleinerten und viele Metalle in das Wasser spülten, die dann zu Substraten des ersten Lebens wurden, das chemautothrop war. Allerdings dürfte diese schnelle Rotation erst durch den Einschlag des Protoplaneten induziert worden sein. Der Mars ohne großen Mond rotiert auch in 24 Stunden um die eigene Achse.

Auch Jupiter hat in unserem Sonnensystem eine wichtige Rolle. Er ist der „Staubsauger“ im Sonnensystem. Kometen, aber auch Planetoiden, die auf exzentrischen Bahnen die Sonne umkreisen, werden bevorzugt von ihm aufgesammelt. Wir sehen das noch heute. So den Einschlag von Shoemaker-Levy oder die Bahnänderung des Kometen Wild 2 im Jahre 1974 nach einer Begegnung von Jupiter. Wir sehen das auch im Sonnensystem. Es gibt einige Tausend Asteroiden in Erdnähe (sogenannte Near Earth Objects NEO), dazu 500.000 Asteroiden im Hauptgürtel und inzwischen auch über 1000 Transneptun Objects (TNO), da wir nur die größten in dieser Entfernung entdecken können, schätzt man ihre Zahl auf über 100.000. Aber es gibt nur 183 Centauren mit Umlaufbahnen zwischen Jupiter und Neptun. Jupiter ist einerseits nahe genug an der Sonne, dass es eine große Wahrscheinlichkeit für eine nahe Passage gibt, andererseits noch weit genug von der Erde entfernt, dass er ihre Umlaufbahn nicht langfristig verändert.

Insgesamt ist also nicht nur wichtig, dass ein Planet in einer habitablen Zone ist, sondern auch welche Umgebung er hat, d.h., ob er einen Mond aufweist, ob es einen Gasplaneten in sicherer, aber nicht zu großer Entfernung gibt. Weiterhin wird wichtig sein, welche Rotationsperiode er hat – wenn er sich in 243 Tagen wie die Venus dreht, dann dürften die Tag/Nachtunterschiede extrem sein, interessant wird sein, wie Pflanzen damit zurechtkommen, schließlich sind sie dann 240 Tage lang Fraßfeinden ausgesetzt, ohne neue Energie für Abwehrstoffe etc. bilden zu können. Im positiven Fall ist auf der Nachtseite nur über Monate nur „Winter“, im negativen Fall können auf der Nachtseite die Temperaturen extrem tief fallen.

Ob und wie viele Planeten, es wie die Erde gibt, wie weit sie von dem Stern entfernt sind, und ihre Oberflächentemperaturen und Zusammensetzung, dass müssen Weltraummissionen klären. Um erdgroße Planeten in 1 AE Distanz von einem Stern der F-K-Klasse, also einem kleinen Stern nachzuweisen, braucht man eine viel höhere Empfindlichkeit als heute möglich ist. Dies kann man nur im Weltraum erreichen, von Untersuchungen des Planeten neben dem Stern ganz zu schweigen. Dort ist es möglich zum einen den Zentralstern abzudecken ohne das Streulicht dann den Planeten überstrahlt. Selbst wenn man im Infrarotbereich sucht, wo der Planet heller als im sichtbaren Bereich ist, so ist der Stern doch um ein Vielfaches heller als der Planet. Die bisherigen Aufnahmen von Exoplaneten um Formalhaut (Hubble) und 2MASSWJ1207334-393254, einem braunen Zwerg haben Planeten abgebildet, die weit jenseits der habitablen Zone ihre Kreise ziehen. Bei Formalhaut zwischen 17 und 34,5 Milliarden Kilometern (Umlaufszeit 872 Jahre) und bei 2MASSWJ1207334-393254 in 8,2 Milliarden Kilometern Entfernung. Dieser Planet war nur nachweisbar, weil er nicht einen Hauptreihenstern, sondern einen brauen Zwerg, einen Stern, der nur „glimmt“, da er nicht das Wasserstoffbrennen zünden konnte, sondern von der Fusion von Deuterium zu Helium lebt. Beide Planeten würden, wenn man sie in das Sonnensystem verpflanzen würde, im Kuiper-Gürtel ihre Kreise ziehen.

Interferometrische Messungen, bei denen man mehrere Teleskope miteinander koppelt und so eine Auflösung erhält, die dem Abstand der Teleskope entspricht, könnte es erlauben erdähnliche, sonnennahe, Planeten wirklich direkt abzubilden. Die Technik wird seit Jahrzehnten bei Radioteleskopen genutzt, doch wegen der anderen Natur von Licht und dem Streueffekt der Atmosphäre hat man im sichtbaren Bereich auf der erde dies noch nicht erreicht. Das VLT erprobt die Technik seit Jahrzehnten, doch ein Durchbruch blieb bisher außer in Spezialfällen für sehr leuchtkräftige Objekte aus.

Alles, was bisher entdeckt wurde, war nicht mit unserem Sonnensystem zu vergleichen. Große Gasriesen, oftmals mit sehr sternennahen Umlaufbahnen dominieren die Liste. Dann gibt es einige „Supererden“, doch auch sie sind nicht mit unserer Erde vergleichbar. Das liegt natürlich in der Natur der Sache, denn bisher könnten wir eine zweite Erde nicht nachweisen, geschweige den abbilden. Immerhin gelingt es von einigen Planeten Spektren zu gewinnen und so sicher zu sagen, dass sie aus Gestein und nicht aus Gas bestehen. Diese Supererden kennen wir nicht. Es ist gut möglich, dass sie mit viel Wasser bedeckt sind oder eine sehr dichte Atmosphäre haben. Die Letzte kann einen starken Treibhauseffekt auslösen. Die Ozeane können, wenn sie den ganzen Planeten bedecken bewirken, dass im Wasser fast keine Mineralstoffe vorhanden sind, die Lebewesen für Enzyme aber auch Gerüststrukturen brauchen. Bei uns werden diese dauernd mit dem Regen aus dem Festlandgestein ausgewaschen. Trotzdem gibt es im Ozean einen Eisenmangel – das sehr häufige Element sinkt zu schnell herab. Es gab sogar schon Vorschläge die Klimaerwärmung zu verlangsamen, indem man die Ozeane großflächig mit Eisensulfat „düngt“ und so das Algenwachstum ankurbelt – die Algen sinken dann zum Boden, sedimentieren und das Kohlendioxid ist aus dem Oberflächenkreislauf entzogen worden.

Leider wurden die meisten Projekte eingestellt. Eddington und Darwin von der ESA und der Terrestial Planet Finder von der NASA (ach ja: danke Mike Griffin für diese und viele andere Kürzungen zugunsten des „Constellation“ Programms). Übrig blieb GAIA, eine Astronometriemission wie Hippacros der ESA. Sie wird als „Nebeneffekt“ noch mehr Exoplaneten finden. Sie ist aber nicht ausgelegt nach diesen zu suchen, sondern soll Helligkeit und Position der Sterne feststellen.

Was alle Missionen nicht können, ist Leben nachzuweisen. De Fakto gibt es hier zwei Positionen. Die Verbreitetere ist, das Leben „automatisch“ entsteht, wenn die Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Nährstoffsubstraten und Energie gegeben sind. Die Befürworter postulieren daher auch das es Leben noch an anderen Orten im Sonnensystem geben könnte oder gegeben hat. Mars, Europa und Titan werden öfters genannt, aber auch Jupiter und Venus werden nicht ausgeschlossen.

Die andere Fraktion vertritt die Meinung, dass die Entstehung von Leben, nachdem was wir über die heimische Evolution wissen, ein ziemlicher Glücksfall war, da unter den Bedingungen der Urerde Makromoleküle eher zerstört als gebildet wurden. Auch dafür kann man Argumente finden. So verwenden alle Lebewesen, egal ob Bakterium, Pflanze oder Tier denselben genetischen Code, und sind aus denselben Bausteinen aufgebaut. Wenn Leben so spontan besteht, warum stammt dann alles nur von einer „Urzelle“ ab und bildeten sich nicht verschiedene Urzellen, die dann zu verschiedenen Lebensformen führten?

Eventuell wird man ja doch noch einen Planeten mit intelligentem Leben finden, dem Ersten in der Milchstraße. Denn das die Menschheit „intelligent“ ist, darf bezweifelt werden. Der Neandertaler lebte über 250.000 Jahre im Einklang mit der Umwelt. Der moderne Mensch hat zuerst alle Großsäugetiere ausgerottet, egal wohin er kam, dann beginnend mit der „neolithischen Revolution“ – der Einführung der Landwirtschaft vor rund 13.000 Jahren das komplette Umgestalten erst ganzer Landstriche, dann des ganzen Planeten, nur um immer mehr landwirtschaftliche Fläche zu gewinnen. Das muss enden, wenn es keine weitere Fläche mehr gibt. Dann kommt es zum Crash. Also intelligent sieht bei mir anders aus …