Exoplaneten brauchen sowohl Kontinente als auch Ozeane, um ein komplexes Leben zu führen.

Auf der Suche nach außerirdischem Leben neigen die Wissenschaftler dazu, etwas geozentrisch zu sein, d.h. sie suchen nach Planeten, die unseren eigenen ähneln. Das ist verständlich, da die Erde der einzige Planet ist, von dem wir wissen, dass er das Leben unterstützt. Infolgedessen haben diejenigen, die nach außerirdischem Leben suchen, nach Planeten gesucht, die in der Natur terrestrisch (felsig) sind, innerhalb ihrer bewohnbaren Sternzonen umherfliegen und genügend Wasser auf ihren Oberflächen haben.

Im Laufe der Entdeckung von mehreren tausend Exoplaneten haben Wissenschaftler herausgefunden, dass viele tatsächlich „Wasserwelten“ sind (Planeten, auf denen bis zu 50% ihrer Masse Wasser sind). Dies wirft natürlich einige Fragen auf, wie z.B. wie viel Wasser ist zu viel, und könnte zu viel Land auch ein Problem sein? Um diese Probleme anzugehen, führte ein Forscherpaar des Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) eine Studie durch, um festzustellen, wie das Verhältnis zwischen Wasser und Landmassen zum Leben beitragen kann.

Die Studie – „Dependence of Biological Activity on the Surface Water Fraction of Planets“, die für die Veröffentlichung im Astronomical Journal überprüft wird – wurde von Manasvi Lingam, Postdoc-Stipendiat am Institute for Theory and Computation (ITC) der CfA, und Abraham Loeb, Direktor des ITC, sowie dem Frank B. Baird Jr. Chair of Science an der Harvard University verfasst.

Lingam und Loeb befassen sich zunächst mit dem anthropischen Prinzip, das in der Astronomie und Exoplanetenforschung eine große Rolle gespielt hat. Kurz gesagt, dieses Prinzip besagt, dass, wenn die Bedingungen auf der Erde geeignet sind, dem Leben gerecht zu werden, es um der Schaffung von Leben willen existieren muss. Dieses Prinzip, das auf das gesamte Universum ausgedehnt ist, argumentiert, dass die Gesetze der Physik so existieren, wie sie es tun, um Leben zu erwecken.

Eine weitere Möglichkeit, es zu betrachten, besteht darin, zu untersuchen, wie unsere Einschätzungen der Erde in so genannte „Selektionseffekte bei der Beobachtung“ fallen – wobei die Ergebnisse direkt von der Art der verwendeten Methode beeinflusst werden. In diesem Fall ergeben sich die Auswirkungen daraus, dass unsere Suche nach Leben jenseits der Erde und unseres Sonnensystems die Existenz eines entsprechend positionierten Beobachters erfordert.

In der Tat neigen wir dazu, davon auszugehen, dass die Bedingungen für das Leben im Universum reichlich vorhanden sein werden, weil wir mit ihnen vertraut sind. Dies bedingt das Vorhandensein von flüssigem Wasser und Landmassen, die für die Entstehung von Leben, wie wir es kennen, unerlässlich waren. Wie Lingam dem Universum heute per E-Mail erklärte, ist dies eine der Möglichkeiten, wie das anthropische Prinzip bei der Suche nach potenziell bewohnbaren Planeten zum Tragen kommt:

„Die Tatsache, dass die Land- und Wasserfraktionen der Erde vergleichbar sind, deutet auf anthropische Selektionseffekte hin, d.h. das Auftauchen von Menschen (oder analogen bewussten Beobachtern) kann durch eine geeignete Mischung aus Land und Wasser erleichtert worden sein.“

Bei der Betrachtung der vielen Super-Erde, die in anderen Sternensystemen entdeckt wurden, haben statistische Analysen ihrer mittleren Dichte jedoch gezeigt, dass die Mehrheit der Menschen hohe Anteile an flüchtigen Bestandteilen aufweist. Ein gutes Beispiel dafür ist das TRAPPIST-1-System, bei dem die theoretische Modellierung seiner sieben erdgroßen Planeten gezeigt hat, dass sie zu 40-50 Gew.-% aus Wasser bestehen können.

Diese „Wasserwelten“ hätten daher sehr tiefe Ozeane und keine nennenswerten Landmassen, was drastische Folgen für die Entstehung von Leben haben könnte. Gleichzeitig gelten Planeten, die wenig bis gar kein Wasser auf ihrer Oberfläche haben, nicht als gute Kandidaten für das Leben, wenn man bedenkt, wie wichtig Wasser für das Leben ist, wie wir es kennen.

„Zu viel Landmasse ist ein Problem, da sie die Menge des Oberflächenwassers begrenzt und damit die meisten Kontinente sehr trocken macht“, sagte Lingam. „Trockene Ökosysteme zeichnen sich typischerweise durch niedrige Raten der Biomasseproduktion auf der Erde aus. Betrachtet man stattdessen das umgekehrte Szenario (d.h. meist Ozeane), stößt man auf ein potenzielles Problem mit der Verfügbarkeit von Phosphor, das eines der wesentlichen Elemente für das Leben wie wir es kennen ist. Dies könnte also zu einem Engpass bei der Biomassemenge führen.“

Um diese Möglichkeiten zu nutzen, analysierten Lingam und Leob, wie Planeten mit zu viel Wasser oder Landmasse die Entwicklung von Exoplanetenbiosphären beeinflussen können. Wie Lingam erklärte:

„[W]e entwickelte ein einfaches Modell, um zu schätzen, welcher Teil des Landes trocken (d.h. Wüsten) und relativ unbewohnbar sein wird. Für das Szenario mit wasserdominierten Biosphären wird die Verfügbarkeit von Phosphor zum limitierenden Faktor. Hier haben wir ein in einem unserer früheren Arbeiten entwickeltes Modell verwendet, das die Quellen und Senken von Phosphor berücksichtigt. Wir kombinierten diese beiden Fälle, verwendeten Daten von der Erde als Maßstab und bestimmten so, wie die Eigenschaften einer generischen Biosphäre von der Menge an Land und Wasser abhängen würden.“

Sie fanden heraus, dass ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen Landmassen und Ozeanen (ähnlich wie das, was wir hier auf der Erde haben) entscheidend für das Entstehen komplexer Biosphären ist. In Kombination mit numerischen Simulationen anderer Forscher zeigt die Studie von Lingam und Loeb, dass Planeten wie die Erde – mit ihrem Verhältnis von Ozean zu Landmasse (etwa 30:70) – wahrscheinlich recht selten sind. Wie Lingam zusammenfasst:

„Die grundlegende Schlussfolgerung ist also, dass das Gleichgewicht der Land- und Wasserfraktionen nicht zu sehr in die eine oder andere Richtung geneigt werden kann. Unsere Arbeit zeigt auch, dass wichtige evolutionäre Ereignisse, wie der Anstieg des Sauerstoffgehalts und das Auftauchen technologischer Arten, durch den Land-Wasser-Anteil beeinflusst werden können und dass der optimale Wert nahe an dem der Erde liegen könnte“.

Seit einiger Zeit suchen Astronomen nach Exoplaneten, auf denen erdähnliche Bedingungen herrschen. Dies ist bekannt als der Ansatz der „tief hängenden Frucht“, bei dem wir versuchen, Leben zu finden, indem wir nach Biosignaturen suchen, die wir mit dem Leben, wie wir es kennen, verbinden. Aber laut dieser neuesten Studie könnte das Finden solcher Orte wie die Suche nach Diamanten im Rohzustand sein.

Die Schlussfolgerungen der Studie könnten auch bei der Suche nach außerirdischer Intelligenz erhebliche Auswirkungen haben, was darauf hindeutet, dass auch sie recht ungewöhnlich ist. Glücklicherweise geben Lingam und Loeb zu, dass nicht genug über Exoplaneten und ihre Wasser-Landmassen-Verhältnisse bekannt ist, um etwas abschließend zu sagen.

„Es ist jedoch nicht möglich, vorherzusagen, wie sich dies auf SETI in definitiver Weise auswirkt“, sagte Lingam. „Das liegt daran, dass wir noch keine angemessenen Beobachtungsbeschränkungen für die Land-Wasser-Fraktionen von Exoplaneten haben, und es gibt immer noch viele Unbekannte in unserem aktuellen Wissen darüber, wie sich technologische Arten (die in der Lage sind, an SETI teilzunehmen) entwickelt haben.“

Am Ende müssen wir geduldig sein und darauf warten, dass die Astronomen mehr über die außerirdischen Planeten und ihre jeweilige Umgebung erfahren. Dies wird in den kommenden Jahren dank der nächsten Generation von Teleskopen möglich sein. Dazu gehören bodengebundene Teleskope wie das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO und weltraumgestützte Teleskope wie das James Webb Space Telescope (JWST) – die ihren Betrieb 2024 bzw. 2021 aufnehmen sollen.

Mit Verbesserungen in der Technologie und Tausenden von Exoplaneten, die jetzt für Studien zur Verfügung stehen, haben die Astronomen begonnen, vom Prozess der Entdeckung zur Charakterisierung überzugehen. In den kommenden Jahren wird das, was wir über exoplanetische Atmosphären lernen, einen großen Beitrag dazu leisten, unsere theoretischen Modelle, Hoffnungen und Erwartungen zu beweisen oder zu widerlegen. Mit der Zeit können wir vielleicht endlich feststellen, wie reichlich Leben in unserem Universum ist und welche Formen es annehmen kann.

Mehr Informationen:
Manasvi Lingam, Abraham Loeb. Abhängigkeit der biologischen Aktivität vom Oberflächenwasseranteil der Planeten. arXiv:1809.09118[astro-ph.EP]. arxiv.org/abs/1809.09118

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