In den späten 1970er Jahren erwartete der seltsame Saturnmond , Titan, ein nebliger, orangefarbener Körper, wichtige Besucher: Zuerst kamen die NASA-Sonde Pioneer 11 und dann die Voyager-Raumsonde in seine Nähe. Die meisten Monde haben keine Atmosphäre oder kaum mehr als eine verschleierte Gashülle. Titan jedoch ist von einer so dichten Stickstoff- und Methanschicht bedeckt, dass Astronauten mit ein paar Flügeln und einem Schubs mit den Armen darüber fliegen könnten.

Einige Jahre, nachdem die Sonden an Titan vorbeigeflogen waren, grübelte Kevin Zahnle, Planetenforscher am Ames Research Center der NASA, über die Geheimnisse der Titanatmosphäre nach, als er sich fragte, warum Titan überhaupt eine Atmosphäre hat. Die meisten Experten waren der Meinung, dass die Existenz von Atmosphären auf Planeten und auf fremden Monden wie Titan von den Ausgangsmaterialien abhängt.

Die Forscher wussten auch, dass Atmosphären aufgrund der Schwerkraft um Himmelskörper erhalten bleiben und dass die kleinsten Objekte nicht genug Gewicht haben, um eine Atmosphäre zu halten. Beobachtungen des Mars haben jedoch gezeigt, dass der Planet trotz seiner relativ großen Ausmaße im Laufe der Zeit eine erhebliche Menge an Atmosphäre verloren hat.

Als Zahnle Daten aus allen Teilen des Sonnensystems untersuchte, begann er sich zu fragen, ob der Verlust der Atmosphäre und nicht die Ausgangsmaterialien ausschlaggebend dafür waren, ob Himmelskörper ihre Atmosphären behielten. Er trug Dutzende von Objekten des Sonnensystems in ein einfaches Diagramm ein, in dem er die Fluchtgeschwindigkeiten (im Wesentlichen die Schwerkraft) mit der Menge an Sonnenlicht verglich, die sie erhielten, denn zu viel Sonnenlicht ist nicht gut für die Atmosphären.

Zahnles kosmische Küstenlinie wurde von seinen Forscherkollegen zunächst nicht viel diskutiert. Die meisten, so Zahnle, konzentrierten sich auf die Frage, wie Planeten eine Atmosphäre bekommen, und nicht darauf, wie sie sie verlieren (oder nicht verlieren). Jahrzehnte später jedoch erweckte die Entdeckung Tausender Planeten außerhalb unseres Sonnensystems eine Idee zu neuem Leben, die bis dahin weitgehend ignoriert worden war. Heute ist die Suche nach bewohnbaren fremden Welten und möglichen Anzeichen von Leben in ihren Atmosphären in vollem Gange. Um erfolgreich zu sein, müssen die Experten Planeten mit Atmosphären finden. Und die kosmische Küstenlinie wird, wenn sie wirklich universell ist und auch in anderen Sternensystemen gilt, einen klaren Weg aufzeigen, wo man mit der Suche beginnen sollte.

Forscher testen diese Idee jetzt mit dem James Webb Space Telescope (JWST) der NASA. Die Sonde hat bereits eine Handvoll winziger Gesteinsplaneten, die einen kühlen Stern umkreisen, auf ihre Atmosphäre hin "beschnuppert". Und in diesem Frühjahr wird es eine weitere groß angelegte Durchmusterung von Dutzenden von Gesteinsplaneten beginnen. "Das ist eine so faszinierende Frage, dass sich jeder darauf stürzt", sagt der Astrophysiker Kevin Stevenson vom Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory. Und er sagt, dass wir endlich die Technologie haben, um diese zu beantworten.

Verlorene Atmosphären

Ohne ihren phantasievollen Namen scheint die kosmische Küste auf den ersten Blick kein besonders interessantes Gebiet zu sein. Aber Planeten sind äußerst komplexe, langlebige Objekte. Einfache Fragen zu ihrer Entwicklung sind überraschend tiefgründig, und die Antworten haben wichtige Auswirkungen auf die Bewohnbarkeit und möglicherweise das Leben. Für Zahnle ist die Küstenlinie eine metaphorische Grenze. Wie er es ausdrückt:

Atmosphären befinden sich per Definition außerhalb der Planeten. Aber die Luft, die wir um felsige Himmelskörper herum finden, entstand wahrscheinlich als leicht verdampfbares Material in ihrem Inneren, bevor die jungen, heißen Planeten diese flüchtigen Stoffe praktisch aus ihrem Gestein ausstießen. Wenn ein Planet auf diese Weise eine Atmosphäre aufbaut, geht das kosmisch schnell: Der größte Teil des Vorgangs ist in wenigen hundert Millionen Jahren abgeschlossen. Zahnles Küstenlinie zeigt, was nach dieser kritischen Periode übrig geblieben ist, und konzentriert sich darauf, wie der Verlust der Atmosphäre und nicht die Ausgangsmaterialien darüber entscheiden, ob es Gasen gelingt, sich an einem sich bildenden Himmelskörper "festzuhalten".

Damit ein atmosphärisches Teilchen von einem Planeten entkommen kann, muss es eine kritische Geschwindigkeit, die so genannte Fluchtgeschwindigkeit, überschreiten. Je höher die Schwerkraft des Planeten ist, desto schneller muss das Teilchen fliegen, wenn es entkommen will. Eine Möglichkeit, die Fluchtgeschwindigkeit von Teilchen zu erhöhen, besteht in der Nutzung von Sonnenlicht, das die Atmosphäre aufheizt und die Chancen erhöht, dass einige der schnelleren Teilchen entkommen. Zahnles ursprüngliche kosmische Küstenlinie erfasste das Gleichgewicht zwischen einfallendem Sternenlicht und der Fluchtgeschwindigkeit und nutzte diese Beziehung, um Planeten in unserem Sonnensystem sowohl als unbewohnt als auch als gasförmig zu kategorisieren. Aber es gibt mehr als eine Möglichkeit, einem Planeten im Sonnensystem die Atmosphäre zu nehmen.

Neben dem Sonnenlicht gibt es auch Einschläge, sagt David Catling, Planetenforscher an der University of Washington. Wenn ein Asteroid oder Komet mit ausreichender Wucht auf einen Planeten trifft, kann der Einschlag die Atmosphäre des Planeten buchstäblich in Stücke sprengen. Und je näher ein Planet an seinem Stern kreist, desto härter schlagen diese kosmischen Geschosse ein. Als Zahnle diesen Einschlagsfaktor berücksichtigte, erhielt er eine weitere scharfe Linie, die die Körper des Sonnensystems mit und ohne Atmosphäre trennte.

Der Forscher stand dann vor einem seltsamen Problem: Beide Küstenlinien schienen gleich gut zu funktionieren, so dass er nicht sagen konnte, welcher Prozess wichtiger war.

Zahnle legte das Problem schließlich für fast ein Jahrzehnt beiseite. Dann, Mitte der 2010er Jahre, fingen die Exoplaneten an, "so dick wie Schnee zu fallen", sagt er. Und mit den neuen Beobachtungen ergab sich eine neue Chance - und eine neue Küste.

Chancen und Bedrohungen

Die Astronomen haben inzwischen fast 6000 extrasolare Planeten identifiziert. Einige hoffen sogar, mit dem JWST in naher Zukunft eine Handvoll potenziell bewohnbarer fremder Körper im Detail analysieren zu können. Das JWST war jedoch ursprünglich nicht dazu gedacht, Exoplaneten auszuspionieren, denn als es entwickelt wurde, waren nur wenige solcher Körper bekannt. Und es ist vor allem daran interessiert, schwache Gesteinsplaneten zu untersuchen, die größere, hellere Sterne umkreisen, d. h. erdähnliche Körper.

JWST ist jedoch sehr gut in der Lage, winzige, schwache Gesteinsplaneten zu untersuchen, die Sterne, so genannte M-Zwerge, in einiger Entfernung umkreisen. Und das sind zufällig die häufigsten Sterne in unserer Galaxie. Wie Jacob Lustig-Yaeger, ein Stevenson-Kollege, es ausdrückt, sind M-Zwerge also eine große Chance.

"Es ist unsere Chance, nach Atmosphären um winzige, erdgroße Planeten zu suchen, und das können wir im Moment nur um kleine Sterne herum", sagt Lustig-Yaeger. "Wir müssen das irgendwie mit der Bedrohung durch die M-Cluster in Einklang bringen.

M-Zwerge sind sowohl winzig als auch chaotisch. In den ersten hundert Millionen Jahren ihres Lebens produzieren diese lebhaften kleinen Sterne viel Licht im hochenergetischen Ultraviolett- und Röntgenbereich (XUV). Selbst wenn sie sich abschalten, strahlen sie einen höheren Anteil an XUV-Licht ab als Sterne wie die Sonne. Diese Strahlung kann ein Problem für das Überleben der Atmosphäre darstellen. Einige Experten vermuten, dass bei der Schrumpfung der Atmosphäre eines Planeten die hochenergetische XUV-Strahlung und nicht das gesamte Sternenlicht die eigentliche Ursache ist. Es sind die oberen Schichten der Planetenatmosphäre, denen die Gasteilchen am leichtesten entkommen können.

- sagt Lustig-Yaeger.

Während die Forscher darüber nachdachten, ob Welten, die von solchen Sternen aufgeheizt werden, ihre Atmosphären beibehalten könnten, taten sich Zahnle und Catling zusammen, um das Konzept der kosmischen Küstenlinien zu erweitern. 2017 wurden neue Grafiken veröffentlicht von Sonnen- und Einschlagsküstenlinien, die nun Hunderte von bekannten Exoplaneten umfassen. Und sie haben eine dritte Küstenlinie aufgezeichnet: Diese wurde aus der gesamten XUV-Strahlung abgeleitet, die ein Planet während seines Lebens erhält.

Die drei Grenzen waren gleich gut bei der Unterteilung der Planeten des Sonnensystems. Die XUV- und die Sonnenlichtgrenze definieren jedoch sehr unterschiedliche Regionen in der Population der Gesteinsplaneten, die M-Zwerge umkreisen, wobei viel mehr Objekte auf die nicht aufgeblähte Seite der XUV-Linie fallen.

"Wir wissen nicht genau, wo die kosmische Küstenlinie für M-Zwerge liegt", sagt Eliza Kempton, Astronomin an der Universität von Maryland. Und sie sagt, dass es wichtig ist, das herauszufinden, denn bevor wir versuchen können, Anzeichen von Leben auf bewohnbaren Welten zu finden, müssen wir die Frage stellen:

Karte der Küstenlinie

Diese Frage geriet erstmals 2017 in die Schlagzeilen und erregte die öffentliche Aufmerksamkeit, als Astronomen sieben erdähnliche Planeten um den roten Zwergstern TRAPPIST-1 entdeckten. Das ungewöhnliche Planetensystem schien das perfekte Jagdrevier für Lebensforscher zu sein. Nicht nur, dass sich drei der Planeten in der bewohnbaren Zone des Sterns befanden, JWST konnte auch alle sieben untersuchen. Durch die Untersuchung der Atmosphären der Planeten hofften die Astrobiologen, spektrale Fingerabdrücke von Leben in dem System zu finden.

Der einfachste Weg, eine Atmosphäre festzustellen, ist die Messung der Temperatur des Planeten, sagt Jacob Bean, Astronom an der Universität von Chicago. Durch den Vergleich der Temperaturen der Tag- und Nachtseite von Himmelskörpern, den JWST derzeit für heiße Gesteinskörper durchführt, können Experten auf das Vorhandensein einer Atmosphäre schließen, da diese die Temperatur auf den Planeten etwas ausgleicht.

Als die Astronomen zum ersten Mal mit JWST die Temperaturen von TRAPPIST-1 b und c, den innersten Planeten des Systems, maßen, schlossen sie sofort das Vorhandensein dichter Atmosphären aus. Dies ist nicht überraschend, da diese Körper auf der atmosphärenfreien Seite aller drei Küstenlinien liegen. Kempton, Bean und ihre Kollegen haben auch das Vorhandensein dichter Atmosphären auf anderen Planeten ausgeschlossen, wie Gl 486b und GJ 1132b (beides heiße Gesteinsplaneten, die um M-Zwerge kreisen, die nach Zahnles Diagrammen ebenfalls keine Atmosphäre haben sollten).

Seitdem ist das Bild jedoch komplizierter geworden: Jüngste Beobachtungen von TRAPPIST-1 b deuten entweder auf eine kahle, aber geologisch aktive Oberfläche oder eine neblige Kohlendioxidatmosphäre hin. Und die JWST-Beobachtungen eines kühleren Planeten, LTT 1445 A b, sind ähnlich "verschwommen", sagt Bean.

Bean sagt, dass die Suche nach der Atmosphäre bei anderen kühleren Welten wie der unseren eine andere Technik erfordert. Wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht, scheint aus unserer Sicht das Licht des Sterns kurz durch eine eventuell vorhandene Atmosphäre hindurch. Astronomen können dieses Sternenlicht untersuchen und nach spektralen Anhaltspunkten suchen, die auf die Zusammensetzung der Atmosphäre hinweisen. Bei dieser Methode, der so genannten Transitspektroskopie, ist es jedoch manchmal schwierig, zwischen sehr dichten Atmosphären und keinen Atmosphären zu unterscheiden, und andere "Anomalien" in Sternen, wie Sonnenflecken, können die Interpretation weiter erschweren.

Lustig-Yaeger und Stevenson verwenden diese Methode derzeit , um die kosmische Küstenlinie zu bewerten, indem sie JWST auf fünf kühlere Gesteinsplaneten richten, darunter TRAPPIST-1 h. Bisher wurden Beobachtungen von vier Himmelskörpern veröffentlicht, die sich in der Nähe der solaren Küstenlinie befinden, aber tief in die atmosphärenlose Wüste der XUV-Küstenlinie fallen. Zwei davon scheinen ohne Atmosphäre zu sein , aber es kann sein, dass Beobachtungen fehlen, wenn die Atmosphäre selten, dunstig oder bewölkt ist. Die beiden anderen zeigen Hinweise auf eine heiße, dampfende Atmosphäre , aber diese Beobachtungen können genauso gut durch das Vorhandensein von Sonnenflecken erklärt werden.

Es besteht kein Zweifel daran, dass es eine Herausforderung ist, die Atmosphären winziger Exoplaneten zu finden. Aber die Atmosphärenjäger sind zuversichtlich, dass sie diese mit JWST überwinden können. Indem sie mit den leichter zu beobachtenden heißen Gesteinsplaneten beginnen und dann ihre Methoden verfeinern, "können wir zu Planeten gelangen, die auf kosmische Küstenlinien fallen, so dass wir herausfinden können, wo die tatsächliche Grenze liegt", sagt Kempton.

Leben an der kosmischen Küste

Während Experten auf der Suche nach der wahren kosmischen Küste sind, räumen einige, darunter auch Zahnle, ein, dass das Konzept wahrscheinlich zu simpel ist. Es ignoriert die Menge an Atmosphäre, mit der Planeten starten. Er geht davon aus, dass nur der Verlust von Bedeutung ist. Und er geht davon aus, dass ein Planet, der einmal seine Atmosphäre verloren hat, diese für immer verliert.

Die Realität ist wahrscheinlich sehr viel komplexer als das. Die kosmische Küste sieht wahrscheinlich weniger wie ein geordneter Zaun als vielmehr wie eine wilde Grenze aus, sagt Joshua Krissansen-Totton, Planetenforscher an der Universität Washington. Bemerkenswert ist zum Beispiel, dass seine eigenen Computermodelle von Planeten, die M-Zwerge umkreisen, darauf hindeuten, dass sie ihre verlorene Atmosphäre mit der Zeit wiedergewinnen könnten.

"Nur weil der Verlust groß ist, bedeutet das nicht zwangsläufig, dass diese Planeten am Ende ohne Atmosphäre dastehen", sagte er. Vielmehr ist die Qualität der Atmosphäre eines älteren Planeten eine komplexe Funktion der Entwicklung des Planeten und der Anfangsbedingungen. Zahnle stimmt dem zu. Dies ist eine planetarische Version der Natur-Natur-Debatte, und die Antwort ist natürlich, dass sowohl die Natur bzw. die Anfangsbedingungen als auch spätere Faktoren eine Rolle spielen, sagt er.

70 % der Sterne in unserer Galaxie sind M-Zwerge. Wenn M-Zwerge unweigerlich die Atmosphäre ihrer Planeten abstreifen, ist die Chance, unter ihnen lebenserhaltende oder -fördernde Sterne zu finden, gering. Aber je nachdem, was das JWST findet, könnte die Suche nach atmosphärischen Spuren von Leben jetzt beginnen. Gleichzeitig kann es sein, dass wir auf die nächste Generation weltraumgestützter Observatorien warten müssen, um nach Biosignaturen in den Atmosphären erdähnlicher Welten zu suchen.

Wie die Suche nach kosmischen Küstenlinien zeigt, ist es immer äußerst schwierig, etwas über Exoplaneten zu erfahren. Aber die Fülle an Exoplaneten bietet einen unbestreitbaren Vorteil: die Quantität.