Wasser ist ein häufig vorkommendes Molekül im Universum. Es besteht aus Wasserstoff und Sauerstoff, den beiden chemischen Elementen, die zu den häufigsten im gesamten Kosmos zählen. Man findet es nicht nur auf der Erde, sondern auch auf vielen anderen Himmelskörpern unseres Sonnensystems und darüber hinaus. Es hat sich in den letzten Jahren herausgestellt, dass wasserreiche Welten und ihre Entstehung weit häufiger sind, als bislang angenommen.

Die sogenannten „Eisriesen“ Uranus und Neptun enthalten große Mengen an Wasser in ihrem Gesamtvolumen. Aber nicht nur in den Planeten selbst, sondern auch auf ihren Monden könnte Wasser in Form von riesigen, globalen Ozeanen existieren, die möglicherweise sogar Leben beherbergen. So gibt es auf dem Jupitermond Europa und dem Saturnmond Enceladus Hinweise auf unterirdische Ozeane, die unter dicken Eisschichten verborgen sind. Diese Ozeane könnten die Bedingungen für Mikroben oder sogar größere Lebensformen bieten – und das in einer Umgebung, in der man Leben nur schwer vermuten würde. Ein ähnliches Szenario könnte auf anderen Eismonden existieren, die für die Astrobiologie von höchstem Interesse sind.

Wasser kommt aber nicht nur in unserem Sonnensystem vor. Es wurde in den gigantischen Molekülwolken entdeckt, die die Geburtsstätten von Sternen und Planeten darstellen. Auch in den Atmosphären vieler heißer Jupiter-Exoplaneten und sogar in fernen Quasaren, deren Licht uns nach Milliarden von Jahren erreicht, wurde Wasser nachgewiesen. Auf einem dieser Quasare, dessen Wasser etwa 140 Billionen Mal mehr ist als das gesamte Wasser der Erde, sehen wir das Wasser in einem Zustand, wie es vor 12 Milliarden Jahren existierte. Wasser ist also keineswegs selten. Im Gegenteil, es ist überall im Universum verstreut und könnte auf vielen Planeten und Monden in Form von Ozeanen existieren.

Doch auch wenn Wasser so weit verbreitet ist, wird es nicht immer gleichmäßig verteilt. Es gibt Planeten, die durch den Verlust von Wasser aus der Atmosphäre völlig trocken sind, wie etwa Mars, wo die Sonne und der kosmische Wind das Wasser über Milliarden von Jahren hinweg weggeblasen haben. Auf der anderen Seite gibt es Planeten, die möglicherweise von Ozeanen bedeckt sind, die Hunderte, ja Tausende von Kilometern tief sein könnten. Auf der Erde bedeckt Wasser 71 Prozent der Oberfläche, was die Vielfalt der wasserreichen Planeten im Universum gut widerspiegelt. Aber sogar die Erde, mit ihrem riesigen Volumen an Wasser, hat im Vergleich zu einigen Exoplaneten nur eine mittlere Menge. Diese Erkenntnisse führten zu der Vorstellung, dass Wasserwelten im Universum weitaus häufiger sein könnten als die Erde.

Science-Fiction hat uns schon lange von „Wasserwelten“ erzählt. In Stanisław Lems „Solaris“ existiert ein Ozean, der als lebendes Wesen fungiert, und in Stephen Baxters „Galaxias“ entwickelt sich ein einzelnes, mächtiges intelligentes Wesen aus den Tiefen eines globalen Ozeans. Diese Welten, auf denen Ozeane die gesamte Oberfläche bedecken, sind nicht nur ein beliebtes Motiv in der Literatur, sondern auch ein Thema, das Astronomen mittlerweile ernsthaft in Betracht ziehen.

Wenn wir von Wasserwelten sprechen, unterscheiden wir im Allgemeinen zwischen zwei Typen: Denjenigen, die einen großen Anteil Wasser in ihrem Gesamtvolumen enthalten, und den „reinen Ozeanwelten“, bei denen die gesamte Oberfläche von Wasser bedeckt ist. Ein Beispiel für eine solche Wasserwelt könnte die Erde selbst sein, aber auch größere Exoplaneten, deren Dichte auf einen hohen Wasseranteil hindeutet. Forscher haben mittlerweile durch Messungen der Dichte von Exoplaneten Hinweise darauf erhalten, dass viele dieser Himmelskörper tatsächlich wasserreich sind. Insbesondere auf Planeten, die kleiner sind als die Erde, scheint Wasser ein entscheidender Bestandteil ihrer Masse zu sein.

Die Entdeckung von „Wasserwelten“ auf Exoplaneten begann jedoch mit einem wissenschaftlichen Umdenken, als Forscher in den frühen 2000er Jahren die ersten heißen Jupiter und Super-Erden entdeckten. Diese Welten existieren nicht in unserem Sonnensystem und stellen die traditionellen Vorstellungen von Planeten infrage. Durch präzise Messungen der Radialgeschwindigkeit und der Transite von Planeten konnte die Masse und das Volumen dieser Exoplaneten bestimmt werden, was es den Astronomen ermöglichte, deren Dichte zu berechnen. Für viele dieser Planeten deutet die Dichte darauf hin, dass sie zum Teil oder ganz aus Wasser bestehen, sei es in flüssiger, gasförmiger oder fester Form.

Eine 2020 von NASA geleitete Studie, die 53 kleinere Exoplaneten untersuchte, zeigte, dass ein Viertel von ihnen die Eigenschaften von Wasserwelten aufwiesen. Diese Welten, die auf dem „Earth Similarity Index“ gut abschneiden, könnten nicht nur wasserreich sein, sondern auch Bedingungen bieten, die Leben ermöglichen.

Diese Entdeckungen haben zu einem neuen Verständnis geführt: Es ist durchaus möglich, dass wasserreiche Welten im Universum häufiger sind als solche mit einer festen Oberfläche und einer dünnen Wasserschicht. Dabei geht es nicht nur um Planeten, sondern auch um Monde, wie sie im äußeren Bereich unseres Sonnensystems vorkommen. Europa, Ganymede und Callisto, die Jupitermonde, aber auch der Saturnmond Enceladus beherbergen Ozeane unter ihren Eisschalen, die potenziell lebensfreundlich sind. Ein solches Szenario bietet nicht nur wissenschaftliches Interesse, sondern könnte auch die Grundlage für die Suche nach außerirdischem Leben liefern.

Der Schlüssel zu diesen Entdeckungen liegt in der Dichte der Exoplaneten und ihrer Fähigkeit, große Mengen Wasser in verschiedenen Aggregatzuständen zu enthalten. Wenn diese Wasserwelten in der Realität so häufig sind wie es die Wissenschaftler vermuten, könnte die Vorstellung von Planeten, die vollständig von Ozeanen bedeckt sind, weit verbreiteter sein als bisher angenommen. Diese Erkenntnis verändert nicht nur unser Verständnis des Universums, sondern könnte auch weitreichende Konsequenzen für die Suche nach Leben in fernen Welten haben.

Wie genau messen wir Exoplaneten und was können wir über sie lernen?

Die Sterne am Himmel, von denen bekannt ist, dass sie Exoplaneten beherbergen, sind einfach zu weit entfernt. Wenn es bereits schwierig ist, diese Sterne zu sehen, dann ist das Erkennen ihrer Planeten um ein Vielfaches anspruchsvoller. Zum Zeitpunkt der Abfassung dieser Zeilen haben Astronomen etwa hundert Exoplaneten direkt fotografiert. Und wenn ich sage „direkt fotografiert“, meine ich genau das: die tatsächliche Abbildung des Planeten. Astronomen gelingt es, dies in Ausnahmefällen mithilfe eines speziellen Geräts in ihren Teleskopen zu tun, eines sogenannten Koronographen, der das helle Licht eines Sterns blockiert und so den Kontrast erhöht, um die Exoplaneten zu erkennen, die diesen Stern umkreisen.

Dabei handelt es sich jedoch in der Regel um sehr große Planeten – oft deutlich größer als der größte Planet in unserem Sonnensystem, Jupiter, der einen Durchmesser von 139.822 Kilometern aufweist. Diese Planeten haben auch mehrere Male die Masse Jupiters. Exoplaneten, die auf diese Weise abgebildet werden, befinden sich notwendigerweise weit von ihrem Stern entfernt, da sie andernfalls im blendenden Licht des Sterns verschwinden würden. Häufig sind diese abgebildeten Planeten relativ jung, zwischen einigen Millionen und hundert Millionen Jahren alt, und strahlen noch die Wärmeenergie aus, die sie bei ihrer Entstehung erhalten haben, wodurch sie im thermischen Infrarotbereich heller erscheinen. Trotz dieser Fortschritte sehen wir diese Planeten auf den Bildern meist nur als winzige Lichtpunkte – eine Ansammlung von Pixeln auf einem Bildsensor. Das mag im Vergleich zu den detaillierten Darstellungen von Exoplaneten in Science-Fiction-Filmen wie „Star Trek“ zunächst wenig beeindruckend erscheinen. Dennoch ist die Tatsache, dass Astronomen diese Bilder überhaupt aufgenommen haben, von großer Bedeutung. Ein bemerkenswertes Beispiel dafür ist das planetarische System hr 8799, das vier riesige Welten umfasst, die einen Stern 133 Lichtjahre entfernt umkreisen. Mithilfe eines Koronographen an einem 10-Meter-Teleskop des W. M. Keck Observatoriums auf dem Gipfel des Mauna Kea auf Hawaii gelang es Astronomen, genug Bilder von hr 8799 zu machen, um ein Zeitraffer-Video zu erstellen, das zeigt, wie die Planeten in ihren Bahnen um den Stern kreisen – wie ein Uhrwerk, das den natürlichen Gesetzen der Planetenbahnen und der Gravitation folgt, wie sie vor Jahrhunderten von Johannes Kepler und Isaac Newton formuliert wurden. Es ist ein faszinierender Anblick.

Im Jahr 2009 wurde eine Mission ins Leben gerufen, die dem berühmten Astronomen Kepler gewidmet ist, um nach Exoplaneten zu suchen. Diese Mission hat sich als unser erfolgreichstes Projekt zur Entdeckung von Exoplaneten erwiesen, mit 3.326 bestätigten Exoplaneten bis November 2024. Kepler entdeckt Planeten durch die Methode der „Transite“, bei der der Planet vor seinem Stern vorbeizieht und dabei einen kleinen Bruchteil des Lichts des Sterns blockiert. Dies ist ein winziger Anteil: Ein Jupiter-großer Planet blockiert etwa 1 Prozent des Lichts eines sonnenähnlichen Sterns; ein erdgroßer Planet nur 0,01 Prozent. Anhand des blockierten Lichts können Astronomen den Durchmesser eines Planeten berechnen, und die Häufigkeit der Transite lässt auf die Größe der Umlaufbahn und das „Jahr“ des Planeten schließen. Leider können wir Transite nur bei planetaren Systemen beobachten, bei denen die Umlaufbahn des Planeten „kantig“ zur Sichtlinie ausgerichtet ist. Planeten, deren Bahnen anders ausgerichtet sind, bleiben verborgen, können aber auf eine andere Weise nachgewiesen werden: durch die „Wackelbewegung“, die der Planet durch seine Gravitation auf den Stern ausübt.

Obwohl Planeten wesentlich kleiner als Sterne sind, haben sie immer noch eine beträchtliche Schwerkraft, die den Stern beeinflussen kann. Der gemeinsame Schwerpunkt von Stern und Planet – der sogenannte „Massemittelpunkt“ – liegt aufgrund der unterschiedlichen Massen der beiden Objekte näher am Stern. Tatsächlich befindet sich dieser Punkt meistens innerhalb des Sterns, aber nicht exakt im Zentrum, sondern etwas versetzt. Man kann sich dies wie eine Wippe vorstellen, bei der eine Seite das viel größere Gewicht des Sterns trägt und die andere Seite das relativ leichtere Gewicht des Planeten. Um das Gleichgewicht herzustellen, muss das schwere Objekt, also der Stern, sehr nahe am Drehpunkt der Wippe platziert werden. Sowohl der Stern als auch der Planet kreisen um diesen gemeinsamen Schwerpunkt, was dazu führt, dass der Stern eine sehr kleine „Wackelbewegung“ vollführt. Diese Bewegung ist für uns kaum sichtbar, da sie nur mit wenigen Metern pro Sekunde erfolgt. Doch diese minimale Bewegung reicht aus, um eine Doppler-Verschiebung zu erzeugen. Dieses Phänomen, bei dem sich die Wellenlängen des Lichts beim Vorbeiziehen eines sich bewegenden Objekts verschieben, ist ähnlich dem Effekt, den wir bei einem vorbeifahrenden Krankenwagen hören, dessen Sirene sich in der Tonhöhe verändert. Im Fall eines Sterns, der um seinen gemeinsamen Schwerpunkt mit einem Planeten „wackelt“, erfahren wir eine leichte Kompression oder Dehnung der Lichtwellen. Durch die Analyse dieser Verschiebungen können Astronomen die Masse des Planeten und seine Umlaufzeit berechnen, was wiederum Aufschluss über die Entfernung des Planeten vom Stern gibt.

Mehr als tausend Planeten wurden mittlerweile mit dieser Technik, der sogenannten „radialen Geschwindigkeitsmethode“, entdeckt. Wenn wir gleichzeitig eine Transitbeobachtung und eine Messung der radialen Geschwindigkeit für denselben Planeten durchführen können, lässt sich sogar die Dichte des Planeten berechnen, was Hinweise auf seine Zusammensetzung gibt – ob er aus Gestein, Gas, Eis oder einer Mischung dieser Materialien besteht.

Der Gesamtbestand an bekannten Exoplaneten hat bis November 2024 die Zahl von mehr als 5.787 erreicht, mit weiteren Tausenden potenzieller Planeten, deren Existenz noch bestätigt werden muss. Doch selbst diese Zahl ist nur ein winziger Teil des gesamten Universums an Exoplaneten. Wenn man die genauen Statistiken betrachtet, wird das Ausmaß der Entdeckungen überwältigend. Jessie Christiansen, eine Astronomin am California Institute of Technology (Caltech), die ihre Kindheit unter dem klaren australischen Himmel verbrachte, fasst ihre Arbeit im Rahmen der Kepler-Mission so zusammen, dass sie hundertetausende von Lichtkurven von simulierten Planeten erstellte und diese in die Kepler-Daten einfließen ließ, um wahre Exoplaneten von fiktiven zu unterscheiden. Kepler hat rund 200.000 Sterne untersucht und etwa 8.000 Kandidaten für Exoplaneten gefunden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass nur die Planeten sichtbar sind, deren Bahnen zufällig entlang der Sichtlinie zur Erde ausgerichtet sind. Für viele weitere Exoplaneten müssen andere Techniken verwendet werden.

Wie können wir die wahre Natur von Exoplaneten erkennen?

Die Suche nach erdähnlichen Exoplaneten gehört zu den faszinierendsten und zugleich komplexesten Aufgaben der modernen Astronomie. Doch trotz bedeutender Fortschritte in der Entdeckung von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, bleibt eine zentrale Frage offen: Können wir wirklich feststellen, ob diese Planeten der Erde ähnlich sind oder nicht?

Oft wird diese Unsicherheit in den Medien übersehen, wenn neue Exoplanetenentdeckungen bekannt gegeben werden. So wird in den Nachrichten häufig von der Entdeckung eines „erdähnlichen“ Planeten gesprochen, doch was damit eigentlich gemeint ist, ist ein „erdgroßer“ Planet, der sich möglicherweise in der habitablen Zone seines Sterns befindet – die Frage, ob er tatsächlich Leben wie auf der Erde beherbergt, bleibt dabei unklar. Was wir jedoch mit den derzeit verfügbaren Methoden sicher bestimmen können, sind einige grundlegende physikalische Eigenschaften eines Exoplaneten: seine Masse, seinen Radius, seine Umlaufperiode und damit die Entfernung zu seinem Stern sowie die Energiemenge, die er von diesem empfängt.

Die genaue Bestimmung der Masse und des Radius eines Planeten ermöglicht es uns, dessen Dichte zu berechnen und mit Sicherheit zu sagen, ob es sich um einen gasförmigen Planeten, einen felsigen oder einen hybriden Planeten aus Gas, Wasser und Gestein handelt. Diese Daten lassen sich in den sogenannten Earth Similarity Index (ESI) einfließen, einen Index, der 2011 von einem Team von Planetenwissenschaftlern entwickelt wurde. Dieser Index vergleicht die physikalischen Eigenschaften eines Exoplaneten mit denen der Erde. So wurde beispielsweise der Planet b um den Teegarden-Stern, einen kleinen, kühlen roten Zwergstern nur 12,5 Lichtjahre entfernt, als einer der erdähnlichsten Planeten identifiziert. Mit einem ESI-Wert von 0,95 ist dieser Planet in Bezug auf Größe, Masse und die Energiezufuhr von seinem Stern der Erde sehr ähnlich. Allerdings bedeutet dies keineswegs, dass er auch tatsächlich bewohnbar oder wirklich „erdähnlich“ ist.

Ein weiteres Beispiel für die Limitation dieses Indexes ist die Venus. Trotz der Tatsache, dass die Venus in vielen ihrer physikalischen Eigenschaften der Erde ähnelt – sie hat nahezu den gleichen Durchmesser und eine ähnliche Masse – ist sie mit einer Durchschnittstemperatur von 475 Grad Celsius und einer dichten, giftigen Atmosphäre nahezu völlig unbewohnbar. Der ESI von Venus liegt nahe bei dem der Erde, was zeigt, dass der Index nur eine grobe Annäherung an die Ähnlichkeit eines Planeten mit der Erde bietet, ohne dessen tatsächliche Bewohnbarkeit oder Oberflächenbedingungen zu berücksichtigen.

In den letzten Jahren haben Astronomen begonnen, Atmosphären von Exoplaneten indirekt zu untersuchen, insbesondere von gasreichen Riesenplaneten wie den „heißen Jupiter“. Diese Planeten, die aufgrund ihrer Größe und Nähe zu ihrem Stern relativ einfach zu entdecken sind, bieten die Möglichkeit, mehr über die atmosphärischen Eigenschaften von fernen Welten zu erfahren. Mit dem James Webb Space Telescope (JWST) können Astronomen bereits erste Messungen der Atmosphären von Exoplaneten in erdähnlicher Größe durchführen, wie etwa die Planeten um den Teegarden-Stern oder die Trappist-1-Systeme. Diese Messungen liefern wertvolle Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre, insbesondere über die Gase, die in ihr enthalten sind.

Ein faszinierender Aspekt dieser Beobachtungen ist die Suche nach sogenannten Biosignaturen – Gase, die in einem Zustand der „Ungleichgewichtigkeit“ in der Atmosphäre eines Planeten vorkommen und die durch biologische Prozesse erzeugt werden können. Beispielsweise sind Methan und molekularer Sauerstoff in der Erdatmosphäre Biosignaturen, da ihre Konzentrationen nur durch biologische Aktivität wie Photosynthese oder die Zersetzung organischer Stoffe aufrechterhalten werden können. Der Nachweis solcher Gase könnte ein Hinweis auf Leben auf einem fernen Planeten sein, obwohl diese Gase auch durch geochemische Prozesse entstehen können. Der wahre Durchbruch wird jedoch erst in den 2040er Jahren erwartet, wenn neue Generationen von Weltraumteleskopen die direkte Abbildung kleinerer Planeten ermöglichen und damit detailliertere Informationen über die Oberflächenbedingungen und Atmosphären dieser Planeten liefern.

Solche direkten Beobachtungen erfordern fortschrittlichste Technologien wie den Coronagraphen, ein Instrument, das den gleißenden Glanz eines Sterns blockiert, um den schwachen Lichtpunkt eines Planeten sichtbar zu machen. Obwohl dies für junge, massive Planeten relativ einfach ist, stellt die Beobachtung erdähnlicher Planeten in der Nähe eines Sonnentyps noch eine Herausforderung dar. Dennoch sind diese Technologien in der Entwicklung, und es wird erwartet, dass zukünftige Missionen endlich Licht auf die wahre Natur der Exoplaneten werfen werden, die der Erde in Größe und Bedingungen ähneln.

Es wird von vielen Astronomen als der heilige Gral der Exoplanetenforschung angesehen, einen Planeten zu finden, der der Erde wirklich ähnelt. Ein solcher Fund würde nicht nur unser Verständnis des Kosmos erweitern, sondern auch unsere Existenz in einen größeren Kontext stellen und die Vorstellung von einer Reise zu fernen Sternen und der Besiedlung von erdähnlichen Welten befeuern. Doch auch wenn wir in der Lage sind, diese Planeten direkt zu untersuchen, bleibt die Frage nach dem Leben auf diesen Welten noch immer weitgehend unbeantwortet.

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