Metall

Jun 02, 2023

Sterne, die vergleichsweise viele schwere Elemente enthalten, bieten ungünstigere Bedingungen für die Entstehung von komplexem Leben als metallarme Sterne, wie Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für Sonnensystemforschung und für Chemie sowie der Universität Göttingen nun herausgefunden haben .Die Mannschaft hat es gezeigt wie die Metallizität eines Sterns mit der Fähigkeit seiner Planeten zusammenhängt, sich mit einer schützenden Ozonschicht zu umgeben. Ausschlaggebend dafür ist die Intensität des ultravioletten Lichts, das der Stern in verschiedenen Wellenlängenbereichen in den Weltraum aussendet. Die Studie liefert Wissenschaftlern, die mit Weltraumteleskopen den Himmel nach bewohnbaren Sternensystemen absuchen, wichtige Hinweise darauf, wo dieses Unterfangen besonders erfolgsversprechend sein könnte. Es legt auch eine verblüffende Schlussfolgerung nahe: Je älter das Universum wird, desto unfreundlicher wird es gegenüber der Entstehung komplexen Lebens auf neuen Planeten.

Auf der Suche nach bewohnbaren oder sogar bewohnten Planeten, die entfernte Sterne umkreisen, haben sich Forscher in den vergangenen Jahren zunehmend auf die Gashüllen dieser Welten konzentriert. Zeigen Beobachtungsdaten Hinweise auf eine Atmosphäre? Enthält es vielleicht sogar Gase wie Sauerstoff oder Methan, die auf der Erde fast ausschließlich als Stoffwechselprodukte von Lebensformen entstehen? In den nächsten Jahren werden solche Beobachtungen an neue Grenzen stoßen: Das James-Webb-Teleskop der NASA wird es ermöglichen, nicht nur die Atmosphären großer Gasriesen wie Super-Neptune zu charakterisieren, sondern erstmals auch die viel schwächeren spektrografischen Signale zu analysieren aus der Atmosphäre felsiger Planeten.

Mit Hilfe numerischer Simulationen widmet sich die aktuelle Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, nun dem Ozongehalt von Exoplanetenatmosphären. Wie auf der Erde kann diese Verbindung aus drei Sauerstoffatomen die Oberfläche des Planeten (und die darauf lebenden Lebensformen) vor zellschädigender ultravioletter (UV) Strahlung schützen. Eine schützende Ozonschicht ist somit eine wichtige Voraussetzung für die Entstehung komplexen Lebens. „Wir wollten verstehen, welche Eigenschaften ein Stern haben muss, damit seine Planeten eine schützende Ozonschicht bilden“, erklärt Anna Shapiro, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und Erstautorin der aktuellen Studie, die Grundidee.

Wie so oft in der Wissenschaft wurde diese Idee durch eine frühere Erkenntnis ausgelöst. Vor drei Jahren hatten Forscher um das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung die Helligkeitsschwankungen der Sonne mit denen von Hunderten sonnenähnlichen Sternen verglichen. Das Ergebnis: Die Intensität des sichtbaren Lichts vieler dieser Sterne schwankt deutlich stärker als bei der Sonne. „Wir haben enorme Intensitätsspitzen gesehen“, sagt Alexander Shapiro, der sowohl an den Analysen vor drei Jahren als auch an der aktuellen Studie beteiligt war. „Es ist daher durchaus möglich, dass auch die Sonne zu solchen Intensitätsspitzen fähig ist. Dann würde auch die Intensität des ultravioletten Lichts dramatisch ansteigen“, fügt er hinzu. „Natürlich haben wir uns gefragt, was das für das Leben auf der Erde bedeuten würde und wie die Situation in anderen Sternensystemen ist“, sagt Sami Solanki, Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und Mitautor beider Studien.

An der Oberfläche von etwa der Hälfte aller Sterne, die nachweislich von Exoplaneten umkreist werden, liegen die Temperaturen zwischen etwa 5.000 und etwa 6.000 Grad Celsius. In ihren Berechnungen griffen die Forscher daher auf diese Untergruppe zurück. Mit einer Oberflächentemperatur von etwa 5.500 Grad Celsius gehört auch die Sonne dazu. „In der Atmosphärenchemie der Erde spielt die ultraviolette Strahlung der Sonne eine doppelte Rolle“, erklärt Anna Shapiro, deren Forschungsinteresse sich in der Vergangenheit auf den Einfluss der Sonnenstrahlung auf die Erdatmosphäre konzentrierte. Bei Reaktionen mit einzelnen Sauerstoffatomen und Sauerstoffmolekülen kann Ozon sowohl entstehen als auch zerstört werden. Während langwellige UV-B-Strahlung Ozon zerstört, trägt kurzwellige UV-C-Strahlung zur Bildung von schützendem Ozon in der mittleren Atmosphäre bei. „Daher lag die Vermutung nahe, dass ultraviolettes Licht auch einen ähnlich komplexen Einfluss auf die Atmosphäre von Exoplaneten haben könnte“, fügt der Astronom hinzu. Entscheidend sind die genauen Wellenlängen.

Die Forscher haben daher genau berechnet, aus welchen Wellenlängen das von den Sternen emittierte ultraviolette Licht besteht. Erstmals berücksichtigten sie auch den Einfluss der Metallizität. Diese Eigenschaft beschreibt das Verhältnis von Wasserstoff zu schwereren Elementen (von Astrophysikern vereinfachend und etwas irreführend „Metalle“ genannt) im Baumaterial des Sterns. Im Fall der Sonne kommen auf jedes Eisenatom mehr als 31.000 Wasserstoffatome. Die Studie berücksichtigte auch Sterne mit niedrigerem und höherem Eisengehalt.

In einem zweiten Schritt untersuchte das Team, wie sich die berechnete UV-Strahlung auf die Atmosphären von Planeten auswirken würde, die in lebensfreundlicher Entfernung um diese Sterne kreisen. Lebensfreundliche Entfernungen sind solche, die gemäßigte Temperaturen – weder zu heiß noch zu kalt für flüssiges Wasser – an der Planetenoberfläche zulassen. Für solche Welten simulierte das Team am Computer genau, welche Prozesse das charakteristische UV-Licht des Muttersterns in der Atmosphäre des Planeten in Gang setzt.

Um die Zusammensetzung der Planetenatmosphären zu berechnen, verwendeten die Forscher ein Chemie-Klima-Modell, das die Prozesse, die Sauerstoff, Ozon und viele andere Gase steuern, sowie deren Wechselwirkungen mit ultraviolettem Licht von Sternen mit sehr hoher spektraler Auflösung simuliert. Dieses Modell ermöglichte die Untersuchung unterschiedlichster Bedingungen auf Exoplaneten und den Vergleich mit der Geschichte der Erdatmosphäre in den letzten halben Milliarden Jahren. In dieser Zeit entstanden der hohe Sauerstoffgehalt der Luft und die Ozonschicht, die die Entwicklung des Lebens an Land auf unserem Planeten ermöglichten. „Es ist möglich, dass die Geschichte der Erde und ihrer Atmosphäre Hinweise auf die Entwicklung des Lebens enthält, die möglicherweise auch für Exoplaneten gelten“, sagt Jos Lelieveld, geschäftsführender Direktor des Max-Planck-Instituts für Chemie, der an der Studie beteiligt war.

Die Ergebnisse der Simulationen waren für die Wissenschaftler überraschend. Insgesamt emittieren metallarme Sterne mehr UV-Strahlung als ihre metallreichen Gegenstücke. Aber auch das Verhältnis von ozonerzeugender UV-C-Strahlung zu ozonzerstörender UV-B-Strahlung hängt entscheidend von der Metallizität ab: In metallarmen Sternen überwiegt die UV-C-Strahlung, wodurch sich eine dichte Ozonschicht bilden kann. Bei metallreichen Sternen mit ihrer vorherrschenden UV-B-Strahlung ist diese Schutzhülle deutlich spärlicher. „Entgegen den Erwartungen dürften metallarme Sterne somit günstigere Bedingungen für die Entstehung von Leben bieten“, schlussfolgert Anna Shapiro.

Diese Entdeckung könnte für zukünftige Weltraummissionen wie die Plato-Mission der Esa hilfreich sein, die eine Vielzahl von Sternen nach Anzeichen bewohnbarer Exoplaneten durchsuchen wird. Mit 26 Teleskopen an Bord wird die gleichnamige Sonde 2026 ins All starten und ihre Aufmerksamkeit vor allem auf erdähnliche Planeten richten, die sonnenähnliche Sterne in lebensfreundlichen Entfernungen umkreisen. Das Datenzentrum der Mission wird derzeit am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung aufgebaut. „Unsere aktuelle Studie gibt uns wertvolle Hinweise darauf, welchen Sternen Platon besondere Aufmerksamkeit schenken sollte“, sagt Laurent Gizon, geschäftsführender Direktor des Instituts und Co-Autor der aktuellen Studie.

Darüber hinaus kommt die Studie zu einem fast paradoxen Ergebnis: Mit zunehmendem Alter wird das Universum wahrscheinlich immer lebensfeindlicher. Metalle und andere schwere Elemente entstehen im Inneren von Sternen am Ende ihres mehrmilliardenjährigen Lebens und werden – abhängig von der Masse des Sterns – als Sternwind oder in einer Supernova-Explosion in den Weltraum freigesetzt: der Baustoff für die nächste Generation von Sternen. „Jeder neu entstehende Stern verfügt daher über mehr metallreiches Baumaterial als seine Vorgänger. Sterne im Universum werden mit jeder Generation metallreicher“, sagt Anna Shapiro. Laut der neuen Studie sinkt somit auch die Wahrscheinlichkeit, dass Sternensysteme Leben hervorbringen, wenn das Universum altert. Die Suche nach Leben ist jedoch nicht aussichtslos. Schließlich haben viele Wirtssterne von Exoplaneten ein ähnliches Alter wie die Sonne. Und es ist tatsächlich bekannt, dass dieser Stern auf mindestens einem seiner Planeten komplexe und interessante Lebensformen beherbergt.

- Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Max-Planck-Gesellschaft veröffentlicht