Wie lässt sich Leben in einem anderen Sonnensystem entdecken, wenn man nicht hinreisen kann? Wenn dort draußen ein erdähnlicher Planet in einer lebensfreundlichen Zone entdeckt wird, lassen sich Indizien erdähnlichen Lebens spektroskopisch nachweisen: Sauerstoff und Ozon.

Absorptionsspektren

Die Spektren der Atmosphären der Venus, der Erde und des Mars zeigen die Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge im Infrarotbereich. In allen Spektren ist die Absorption durch Kohlendioxid (CO2) zu erkennen. Nur die Erdatmosphäre weist außerdem deutliche Spuren von Wasser (H2O) und Ozon (O3) auf. Ozon deutet auf die Existenz von Sauerstoff hin, und Sauerstoff ist ein wichtiges Indiz für Leben.

Indizien: Sauerstoff und Ozon

Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen (O3), der normale molekulare Sauerstoff aus zwei (O2). In der Erdatmosphäre wird der Sauerstoff praktisch vollständig durch biochemische Prozesse der Pflanzen und Cyanobakterien (Blaualgen) erzeugt. Das geschieht durch Photosynthese stark vereinfacht nach dem Schema

CO2 + H2O + Licht --> Kohlenhydrat + O2.

Es gibt in der Erdatmosphäre zudem eine anorganische Quelle des Sauerstoffs, die Photolyse:

H2O + UV-Strahlung --> OH + H.

Hierbei wird Wasserdampf aufgespalten. Weitere chemische Reaktionen führen schließlich zu molekularem Sauerstoff (O2):

2OH --> H2O + O,

O + O --> O2,

O + OH --> O2 + H.

Oder zu Ozon (O3):

O2 + O --> O3.

Der leichte Wasserstoff (H) kann aus der oberen Atmosphäre durch Wärmebewegung entweichen. Auf diese Weise kann das Wasser einem Planeten entzogen werden, wie es möglicherweise der Venus passiert ist. Ozon ist ein hervorragender UV-Filter für Wellenlängen von 200 bis 300 Nanometer (milliardstel Meter). Unter seinem Schutz konnten sich erste biochemische Moleküe und Lebensformen der Erde bilden.

Wäre Photolyse die einzige Sauerstoffquelle unseres Planeten, wäre der freie Sauerstoff nach einigen Millionen Jahren durch Oxidation in die Gesteine eingebaut worden und aus der Atmosphäre verschwunden. Die sauerstoffproduzierenden Cyanobakterien und Pflanzen haben dies verhindert: Sie erhalten den Sauerstoffanteil unser Luft durch Photosynthese aufrecht.

Wird Sauerstoff in einer Planetenatmosphäre nachgewiesen, ist dies ein Indiz für außerirdisches Leben. Es ist allerdings kein Beweis, denn der Sauerstoff könnte anorganisch durch Photolyse oder durch unbekannte oder ungewöhnliche Prozesse entstanden sein. Solch ein Planet wäre aber ein Kandidat für spätere, ausgefeiltere Untersuchungsmethoden.

Nachweis von Sauerstoff und Ozon

Sauerstoff, Ozon und andere Gase einer Planetenatmosphäre lassen sich spektroskopisch nachweisen. Dazu wird das Licht des Planeten durch ein Spektrometer in seine Wellenlängenanteile aufgespalten, ähnlich wie ein Glasprisma Sonnenlicht in seine Regenbogenfarben auffächert. Dieses Spektrum wird mehr oder weniger dunkle Linien enthalten. Der Lichtanteil der entsprechenden Wellenlängen wird durch Gasmoleküe der Atmosphäre absorbiert. Bestimmte Absorptionslinien entsprechen bestimmten Gasen.

Probleme

Das Licht des Planeten muss vom Licht seines Sterns getrennt werden. Aus einer Entfernung von einigen Lichtjahren ist das nicht einfach. Die Erde beispielsweise hätte betrachtet aus einer Entfernung von 3,26 Lichtjahren (= 1 Parsec) den Winkelabstand 1/3600 Grad (= 1 Bogensekunde). Zum Vergleich: Zwei Autoscheinwerfer in 250 Kilometern Entfernung haben den Winkelabstand 1 Bogensekunde. Alpha Centauri A und B sind 4,3 Lichtjahre (= 1,3 Parsec) von uns entfernt und haben den Winkelabstand von maximal 20 Bogensekunden.

Zwei Autoscheinwerfer in 250 Kilometer Entfernung zu unterscheiden ist schwierig. Noch schwieriger ist es, wenn einer der Scheinwerfer Milliarden Mal heller strahlt als der andere. Das entspricht dem Helligkeitsunterschied zwischen einem Stern und seinem Planeten.

Eine Lösungsmöglichkeit

Der extreme Kontrast zwischen Stern und Planet ist wesentlich milder im infraroten Licht. In diesem Wellenlängenbereich liegen die Absorptionslinien des Ozons, durch den sich indirekt Sauerstoff nachweisen lässt (siehe oben). Daher wird von der Esa zurzeit die Realisierung des Projekts Darwin untersucht, dass erdähnliche Planeten außerhalb unseres Sonnensystems aufspüren soll. Darwin soll nach dem bisherigen Missions-Modell aus sechs im Weltraum stationierten 1,5m-Speigelteleskopen bestehen. Optisch zusammengeschaltet sollen sie ein so genanntes Interferometer bilden und in den Planetenatmosphären spektroskopisch nach Ozon suchen. Falls die Finanzierung des Projekts Bestand hat, wird Darwin frühestens ab 2015 die Suche beginnen.