Es wäre ziemlich seltsam, auf einem der sieben erdähnlichen Planeten im TRAPPIST-1-System zu leben. Am Himmel wäre ein riesiger roter Stern zu sehen, der zu chaotischen Ausbrüchen neigt und um ein Vielfaches größer als die Sonne erscheint. Es gäbe keinen Tag und keine Nacht, da sich alle Planeten auf festen Umlaufbahnen befinden, so dass es auf der einen Seite immer heiß und auf der anderen eiskalt wäre. Entlang der Grenze zwischen Tag- und Nachtseite - dem einzigen Ort, an dem das Klima erträglich ist - würde ein unaufhörlicher Windsturm herrschen, während der Stern in ewigem Sonnenuntergang am Horizont schwebt.

Ein kurzer Spaziergang auf der Nachtseite würde uns einen Blick auf die anderen Planeten ermöglichen. Einer oder mehrere würden alle paar Tage an uns vorbeiziehen und größer als der Mond erscheinen. Aufmerksame Beobachter des Nachthimmels könnten auch einen hellen gelben Stern entdecken, einen der nahen Nachbarn des Systems, und sich fragen, wie das Leben in der Nähe dieses Himmelskörpers, den wir Sonne nennen, wohl sein mag. In der Wärme unseres eigenen gelben Sterns zu schwelgen und aus 41 Lichtjahren Entfernung zu erkunden, ob einer der Planeten von TRAPPIST-1 einem imaginären Beobachter ein bewohnbares Zuhause bieten könnte, ist ein frustrierender Prozess.

Vielversprechende Anfänge - ohne Ergebnisse

Als die sieben Planeten, die TRAPPIST-1 umkreisen, 2017 entdeckt wurden, dachten Astronomen, dass das System der beste Ort sein könnte, um mit dem zukünftigen James Webb Space Telescope (JWST) der NASA nach einem bewohnbaren Planeten zu suchen, das schließlich vor zwei Jahren seine Arbeit aufnahm. Das Instrument und das Ziel schienen perfekt zusammenzupassen: Das JWST hat die einzigartige Fähigkeit, die Atmosphären von Exoplaneten im Infraroten zu untersuchen, wo Moleküle wie Wasser und Kohlendioxid, die Indikatoren für mögliches Leben sind, ihre Spuren hinterlassen.

TRAPPIST-1 ist nicht nur relativ nah, sondern auch ein Roter Zwerg der M-Reihe, kaum größer als Jupiter und so kühl und schwach, dass sein Licht nicht durch das von den Planeten reflektierte Licht verstärkt wird. Die Gesteinsplaneten umkreisen ihn viel enger als Merkur, was bedeutet, dass vier der sieben Planeten in der bewohnbaren Zone liegen, was bedeutet, dass ihre geschätzten Oberflächentemperaturen darauf hindeuten, dass sie flüssiges Wasser enthalten könnten. Die schnellen Umlaufzeiten von bis zu drei Wochen sind auch für Beobachtungszwecke ideal, da die Planeten die Scheibe des Sterns aus Sicht der Erde und des JWST regelmäßig durchqueren und so häufig untersucht werden können.

Diese Vorbeiflüge sind für Beobachter ideal, denn wenn der Körper eine Atmosphäre hat, wird ein Teil des Sternenlichts durch sie hindurchgehen. Die chemischen Bestandteile der Atmosphäre können Licht bei bestimmten Wellenlängen selektiv absorbieren, so dass Lücken im Spektrum des Sternenlichts sichtbar werden. Mit dieser Technik haben Astronomen Kohlendioxid, Methan und Wasser in den Atmosphären großer, heißer, unbewohnbarer Planeten nachgewiesen. Der Nachweis dieser Gase auf den TRAPPIST-1-Planeten würde dazu beitragen, dass diese Planeten möglicherweise für Leben geeignet sind.

Die Anwendung dieser Methode wurde als nicht einfach angesehen, da Rote Zwerge wie TRAPPIST-1 in der Regel sehr chaotisch sind, unerwartete Eruptionen hervorrufen und so stark strahlen können, dass sie Atmosphären überwältigen und schwache atmosphärische Signale stören können.

Auf dem Weg zu neuen Landschaften

Einige Astronomen wollen daher das Spektrum der zu untersuchenden Himmelskörper erweitern. Eine Beratergruppe der NASA und des Space Telescope Science Institute (STScI), das das JWST betreibt, fordert eine 500-stündige umfassende Untersuchung der 15 bis 20 kleineren Gesteinsplaneten, die verschiedene Rote Zwerge umkreisen, um ein für alle Mal festzustellen, ob diese Planeten eine Atmosphäre haben könnten. "Wenn wir nichts finden, wäre das enttäuschend, aber es wäre schön, eine endgültige Antwort zu haben", sagt Seth Redfield, Forscher an der Wesleyan University und Leiter des Teams.

Andere sind der Meinung, dass die Forschung zur Bewohnbarkeit auf andere Planetentypen ausgeweitet werden sollte. So sollten beispielsweise größere Supererden in Betracht gezogen werden, die von globalen Ozeanen umgeben sein könnten. Oder vielleicht könnten sogar größere Himmelskörper wie Minineptune von Interesse sein, da ihre dichte Wasserstoffatmosphäre Ozeane aus Wasser verbergen könnte. "Dies sind eher spekulative Ideen, da sich die in Frage kommenden Himmelskörper stark von den Himmelskörpern unterscheiden, auf denen wir uns derzeit Leben vorstellen können", sagt Charles Cockell, Direktor des Zentrums für Astrobiologie an der Universität Edinburgh. "Aber alle Planeten mit geeigneten Bedingungen sollten untersucht werden."

René Doyon, Astronom an der Universität von Montreal, hat nur sechs Planeten im JWST: die vier "gemäßigten" Planeten von TRAPPIST-1, die noch nicht vollständig untersucht wurden, eine potenziell wässrige Supererde, LHS 1140b, und einen wasserstoffumhüllten, neptunähnlichen Planeten, K2-18b. Wie Michaël Gillon von der Universität Lüttich, der Entdecker der TRAPPIST-1-Planeten, sagt, sind die meisten der Planeten, die bewohnbar zu sein scheinen, derzeit für menschliche Instrumente unzugänglich.

Außerdem ist die Zeit begrenzt. Das JWST soll 20 Jahre lang in Betrieb sein, doppelt so lange wie beim Start vorhergesagt, aber das Auffinden und Untersuchen bewohnbarer Atmosphären - was sich als noch schwieriger erweist als erwartet - könnte zu wenig Zeit sein, da eine gründliche Untersuchung die Beobachtung von Planeten über mehrere Transitzyklen hinweg erfordern würde.

Andere Erden?

Astronomen sind seit langem der Meinung, dass Leben jenseits der Erde auf Gesteinsplaneten ähnlicher Größe und Umgebung wie der unseren existieren könnte. Zum einen ist es nicht möglich, überall zu suchen, und eine gute Möglichkeit, die Suche einzugrenzen, besteht darin, in der Region zu suchen, von der wir bereits wissen, dass sie für Leben geeignet ist.

Das Vorhandensein von atmosphärischem Sauerstoff ist nicht notwendig, da Leben auf der Erde auch ohne ihn existieren kann, aber die meisten Astrobiologen sind sich einig, dass zumindest Wasser, eine Energiequelle und ein Ort, an dem sich präbiotische Moleküle konzentrieren und reagieren können, erforderlich sind. Dies könnte ein Felsbecken an einer sonnigen Küste, eine heiße Quelle oder ein Hydrothermalschacht im Meer sein. Und damit das Wasser flüssig bleibt, ist ein geeignetes Klima erforderlich, zu dessen Aufrechterhaltung Treibhausgase wie Kohlendioxid beitragen können.

Aber stellen Sie sich vor, wenn wir das Gleiche für die Erde versuchen würden, wäre es schwierig, weil 365 nur einmal am Tag vor ihrem Stern vorbeizieht, und wenn sie das tut, ist die Abnahme der Helligkeit einfach zu gering, um sie mit den heutigen Instrumenten zu messen.

Ungebrochene Zwerge

Stattdessen hat man sich den kleinen roten Zwergsternen, den M-Zwergen, zugewandt, die 10-60 % so groß wie die Sonne und nur 7 % so hell wie diese sind. Exoplanetenbeobachtungen zeigen, dass M-Zwerge viele winzige Gesteinsplaneten haben, die sie in engen Bahnen umkreisen, wobei einige von ihnen alle paar Stunden einen Vorbeiflug machen. Und davon gibt es in unserer galaktischen Nachbarschaft reichlich: Von den 60 erdnächsten Sternen sind 50 M-Zwerge.

Die Transitergebnisse der Planeten, die TRAPPIST-1, eine Stichprobe von M-Zwergen, umkreisen, zeigten jedoch keine eindeutigen Anzeichen einer Atmosphäre. Der innerste Planet, TRAPPIST-1b, wurde im März 2023 vermessen. Er erhält viermal so viel Strahlung wie die Erde und hat keine sichtbare Atmosphäre. Im Juli 2023 richteten die Forscher ihre Aufmerksamkeit auf den Nachbarplaneten TRAPPIST-1c, von dem man aufgrund seiner Größe und der Strahlung, die er von seinem Stern empfängt, eine dichte Atmosphäre erwartet hatte, ähnlich wie bei der Venus. Sie stellten fest, dass er ebenfalls sehr heiß war, was darauf hindeutet, dass es nur wenig Luft gab, um die Wärme auf seine Nachtseite zu leiten. Das Forschungsteam konnte jedoch die Existenz einer dünnen Gasschicht nicht ausschließen, und ein anschließendes Modellierungsexperiment deutete darauf hin, dass eine Sauerstoff- oder Wasserdampffahne zu den Daten passen könnte.

Eine Atmosphäre in der Umgebung von TRAPPIST-1b und c zu finden, schien angesichts der Nähe zum Stern immer eine schwierige Aufgabe zu sein. Aber es gibt noch ein grundsätzlicheres Problem: Die Planeten von TRAPPIST-1 könnten wegen des Sterns ihre Atmosphäre verlieren, sagt Laura Kreidberg vom Max-Planck-Institut für Astronomie. M-Zwerge sind besonders heftig, wenn sie jung sind, und bombardieren nahe gelegene Planeten mit ultravioletter und Röntgenstrahlung, die die Atmosphäre abkühlen kann. Und selbst wenn die Atmosphäre des Planeten im anfänglichen Chaos verbleibt, produzieren M-Zwerge während ihres langen Lebens weiterhin heftige Eruptionen. Diese Sterne leben Hunderte Male länger als unsere Sonne, und TRAPPIST-1 ist bereits fast doppelt so alt wie unser eigener Stern.

Trotz dieser Misserfolge haben die Forscher damit begonnen, die kühleren Planeten im System zu untersuchen, die weiter vom Stern entfernt sind, nämlich TRAPPIST-1b und c. Das Problem dabei ist, dass die kühleren Planeten weniger Infrarotstrahlung aussenden, was ihre Erforschung erschwert. Außerdem haben kühlere Atmosphären eine kleinere Oberfläche, was die Entdeckungssignale abschwächt.

Zeit ist Geld

Und JWST-Zeit ist nicht billig. Jedes Jahr vergibt das STScI mehr als 10.000 Stunden an Hunderte von Beobachtungsgruppen, und nur etwa 30 % dieser Zeit ist der Untersuchung von Exoplaneten gewidmet. 2023 bot Nancy Levenson, die amtierende Direktorin des STScI, den Exoplaneten-Astronomen im dritten Beobachtungszyklus, der am 1. Juli beginnt, 500 Stunden an - eine noch nie dagewesene Priorität.

Das STScI hat außerdem eine Arbeitsgruppe unter der Leitung von Redfield eingesetzt, die Vorschläge für die optimale Nutzung dieser Zeit machen soll. Die Gruppe ist im vergangenen Jahr dreimal zusammengekommen und hat unter anderem vorgeschlagen, die 500 Stunden für die Untersuchung von 15 bis 20 Gesteinsplaneten zu nutzen, die M-Zwerge umkreisen, um eine endgültige Antwort auf die Frage zu finden, ob diese Körper eine Atmosphäre haben könnten.

TRAPPIST-1-Enthusiasten könnten jedoch besorgt darüber sein, dass für Zyklus 3 nur ein Programm zur Untersuchung des Systems genehmigt wurde. Dieses umfasst 129 Stunden für die Zyklen 3 und 4. Das JWST wird den Stern 15 Mal beobachten, während TRAPPIST-1b und e in rascher Folge vor dem Stern vorbeiziehen. Während des Vorbeiflugs von b werden die Beobachter ein Spektrum ohne Atmosphäre erhalten, und beim Vorbeiflug von e sollte der Stern ein sehr ähnliches Bild zeigen, wenn er keine Atmosphäre hat.

Neue Arten von Planeten

Der M-Zwerg mag zwar der häufigste Sterntyp sein, aber erdähnliche Gesteinsplaneten sind nicht der häufigste. Die überwiegende Mehrheit der mehr als 5600 bisher bestätigten Exoplaneten liegt von der Größe her zwischen erdähnlichen Gesteinsplaneten und Gasriesen - ein Bereich, den es im Sonnensystem nicht gibt. Wie diese Himmelskörper genau aussehen, ist immer noch ein großes Rätsel, obwohl die Dichte einen Hinweis darauf geben könnte.

Wenn ein Planet eine hohe Dichte hat, ist er wahrscheinlich ähnlich aufgebaut wie die Erde: ein Eisenkern, umgeben von Gestein und einer dünnen Atmosphärenschicht. Ist die Dichte geringer, gibt es mehrere Möglichkeiten: Er kann einen felsigen Kern haben, der von einer dicken Wasserstoffatmosphäre umgeben ist, oder er kann eine etwas dünnere Atmosphäre und einen globalen Ozean aus Wasser oder eine Eisschicht haben. Um diese Möglichkeiten zu erkunden, müssen die Forscher die Atmosphäre des Planeten untersuchen und prüfen, ob ihre Ergebnisse mit den Modellen übereinstimmen, die auf der Zusammensetzung des Planeten basieren.

Einer der Planeten, die JWST untersucht, ist LHS 1140b, ein Himmelskörper, der genau in der bewohnbaren Zone eines M-Zwergsterns kreist, 49 Lichtjahre von der Erde entfernt. Im Januar berichteten Experten über genaue Messungen seiner Masse (das 5,6-fache der Erdmasse) und Größe (das 1,73-fache der Erdmasse), wodurch der Planet weniger dicht ist als die Erde vergrößert werden würde.

Im März präsentierten andere Forscher das erste JWST-Transitspektrum von LHS 1140b, das im Juli 2023 aufgenommen wurde. Die Daten, die in einem auf arXiv veröffentlichten Preprint veröffentlicht wurden, sind vorläufig, deuten aber darauf hin, dass es sich um eine stickstoffreiche Atmosphäre ähnlich der der Erde handeln könnte, in der es keinerlei Hinweise auf Wasserstoff gibt, so dass Wasser oder Eis eine wahrscheinlichere Erklärung für die geringe Dichte ist.

In ihrer unveröffentlichten Arbeit, die auf zwei Transitbeobachtungen von LHS 1140b im Dezember 2023 beruht, bestätigten die Experten das Fehlen von Wasserstoff. Damit bleiben den Modellen zufolge zwei wahrscheinliche Szenarien übrig: Der Planet könnte ein mit Wassereis bedeckter, luftloser Felsen wie der Jupitermond Europa sein; oder, wenn seine Atmosphäre dichter und eisenreicher ist, könnte das Eis durch einen angenehm warmen Ozeanfleck in der Mitte der dem Stern zugewandten Seite durchbrochen sein.

Die Beobachtung des Planeten mit JWST ist jedoch eine Herausforderung, da seine Position bedeutet, dass er mit nur vier Beobachtungen pro Jahr relativ selten vorbeizieht. Um das Vorhandensein der Atmosphäre zu bestätigen und festzustellen, ob sie Kohlendioxid enthält - ein Indikator für eine feuchte Oberfläche -, könnten jedoch bis zu einem Dutzend Vorbeiflüge erforderlich sein.

Ozeane und Eiszeitmenschen

Viel spekulativer ist die Vorstellung, dass ein Planet, der dem Neptun von der Größe her noch näher ist, tief in seiner dichten, wasserstoffreichen Atmosphäre Leben beherbergen könnte.

Nikku Madhusudhan von der Universität Cambridge und ihr Forschungsteam untersuchten das Spektrum des Planeten mit dem Hubble-Weltraumteleskop aus dem Jahr 2019 und fanden Anzeichen von Wasserstoff, der bei großen Gasplaneten erwartet wird. Das Team modellierte, wie das Klima auf einem solchen Minineptunus sein könnte. Und einige Daten deuten darauf hin, dass es dort einen flüssigen Ozean aus Wasser geben könnte, dessen Temperaturen durch den Treibhauseffekt einer mäßig dicken Atmosphäre auf dem richtigen Niveau gehalten werden.

Das Forscherteam hat K2-18b im vergangenen Jahr mit Hilfe von JWST erneut besucht. Planeten im Sonnensystem mit wasserstoffreichen Atmosphären, wie der Saturn, enthalten auch geringe Mengen an Ammoniak und Methan. Das Sonnenlicht spaltet diese Verbindungen in der oberen Atmosphäre auf, aber sie rekombinieren in der unteren Atmosphäre. Auf K2-18b könnten die spärlichere Atmosphäre und der Wasserozean dieses "Recycling" behindern, insbesondere für Ammoniak, so die Modellierung von Madhusudhans Forscherteam.

Die von JWST gemessenen Spektren stimmten mit dieser Vorhersage überein und zeigten Anzeichen von Methan und Kohlendioxid, aber kein Ammoniak, was laut Madhusudhan ein Zeichen dafür ist, dass der Wasserozean tatsächlich existiert. Er bezeichnet K2-18b daher als "hicean" (eine Mischung aus Wasserstoff und Ozean) Welt. "Bislang passt keine andere Hypothese zu den Daten", sagt er. Das Forscherteam untersucht derzeit die JWST-Daten von mehreren anderen ähnlichen Welten.

Allerdings ist nicht jeder bereit, die Idee von bewohnbaren Ozeanwelten zu akzeptieren. "Die meisten Modellierer sind recht pessimistisch, was flüssiges Wasser auf der Oberfläche der Subneptunosphäre angeht", sagt Gillon. Der Treibhauseffekt muss sehr gut ausbalanciert sein, um moderate Bedingungen zu erreichen, denn die dichte Wasserstoffatmosphäre um solche Planeten kann schnell entweichen und die Oberfläche über den Siedepunkt hinaus aufheizen. Die Atmosphäre kann auch so dicht sein, dass sie für Licht undurchlässig ist. Das ist problematisch, weil die meisten Forscher glauben, dass ultraviolette Photonen für die komplexe Chemie notwendig sind.

Kreidberg bezweifelt im Allgemeinen, dass auf Himmelskörpern mit tiefen Ozeanen Leben entstehen könnte, weil die Atmosphäre für molekulare Bausteine zu verdünnt wäre: Die Komponenten würden einfach nicht zusammenkommen, um komplexe Moleküle zu bilden.

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Trotz des langsamen Fortschritts können diejenigen, die auf der Suche nach bewohnbaren Welten sind, Kraft aus den Überraschungen schöpfen, die JWST auf seinen Reisen zu größeren, heißeren Himmelskörpern immer wieder liefert. So füllen beispielsweise schneeähnliche Quarzflocken den Himmel von WASP-17 b, Überschallwinde, die Wärme transportieren, wurden auf der wolkengefüllten Nachtseite von WASP-43 b identifiziert, und in der Atmosphäre von VHS 1256 b wurden körnige Wolken aus Schlick und Sand gefunden.

Und die Suche nach kühleren und feuchteren Planeten wird sicher noch einige überraschende Wendungen nehmen. Erst letzten Monat hat der NASA-Satellit TESS, der speziell für die Entdeckung von Exoplaneten entwickelt wurde, einen Planeten gefunden, der ein weiteres vielversprechendes Ziel für JWST sein könnte: ein erdähnlicher Körper in einer als gemäßigt geltenden Umlaufbahn um den roten Zwerg Gliese 12, der der Erde noch näher ist als TRAPPIST-1. "Dies sind die ersten kleinen Schritte zum Verständnis von Gesteinsplaneten", sagt Kreidberg.

- fügt Gillon hinzu.