Seltene Erde

Laura Kreidberg und ihr Team suchen mit dem James-Webb Weltraumteleskop nach Atmosphären um erdähnliche Gesteinsplaneten

Text: Aeneas Rooch

Auf den Punkt gebracht

• Laura Kreidberg und ihr Team suchen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop nach einer zweiten Erde, genauer nach Atmosphären um ferne Gesteinsplaneten.
• Je dünner die Atmosphäre, desto schwerer lässt sie sich nachweisen. Fest steht aber: Bei keinem der untersuchten Planeten fanden sie eine dicke Atmosphäre, also eine solche, die der Venusatmosphäre ähnelt.
• Die Forschenden konzentrieren sich auf Gesteinsplaneten um Rote Zwergsterne. Dies ist die häufigste Sternklasse in der Milchstraße, aber auch eine temperamentvolle. Womöglich überleben dünnere Atmosphären wie die der Erde nur um weniger aktive Sterne wie die Sonne.
• Noch ist unklar, ob erdähnliche Atmosphären um erdgroße Planeten selten sind oder nur schwer zu messen. Künftige Beobachtungen werden zeigen, wie besonders die Erde wirklich ist.

Gibt es in den Weiten des Weltalls einen Planeten wie unseren – nicht zu groß, nicht zu klein, nicht zu heiß, nicht zu kalt, aus Gestein und mit einer Atmosphäre, die Leben ermöglicht? Laura Kreidberg und ihr Team am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg suchen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop nach einer zweiten Erde. Am überraschendsten ist, was sie dabei nicht finden.

Ein erdähnlicher Exoplanet – der Begriff beflügelt die Fantasie und ruft Bilder aus Science-Fiction-Filmen wach. In der Astrophysik ist er eine nüchterne Kategorie, eine Schublade für alle Planeten jenseits der Sonne, die in etwa so groß und schwer sind wie die Erde, aus Gestein bestehen und in einem solchen Abstand um ihren Stern kreisen, dass auf der Oberfläche flüssiges Wasser möglich ist. Dazu braucht es eine Glocke aus Gasen – die Atmosphäre –, die ihn durch den Treibhauseffekt wärmt und einen ausreichend hohen Druck auf die Oberfläche ausübt, sodass die Ozeane nicht zu kochen anfangen und verdampfen. Laura Kreidberg, Direktorin am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, sucht in unserer Milchstraße nach solchen Atmosphären.

Diversität im Sonnensystem

Aber wie viele gibt es da draußen überhaupt? Ein Blick in unsere direkte kosmische Nachbarschaft zeigt mit Venus, Erde und Mars drei Gesteinswelten, die in kosmischen Maßstäben eine etwa gleiche Größe, aber ganz unterschiedliche Atmosphären haben: Während die Erde eine dünne Atmosphäre hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff an sich bindet, herrscht auf der Venus ein erstickendes Treibhausklima unter einer dicken, fast hundert Mal schwereren Hülle aus Kohlendioxid, der Mars mit seiner hauchdünnen Gasschicht bietet hingegen ein eher sandiges Weltall-Ambiente. Spuren des Lebens finden sich weder auf Venus noch Mars. Doch selbst auf der Erde deutet von der Internationalen Raumstation aus betrachtet bei Tag kaum etwas auf Leben hin – erst bei Nacht erstrahlt ein Netz aus leuchtenden Städten und Straßen. Und erst als die Esa-Sonde Juice im Herbst 2024 beim Vorbeiflug ihre Messinstrumente auf die Erdatmosphäre richtete und Spuren von Leben in der Erdatmosphäre fand, war der erste messtechnische Nachweis von Leben auf einem Planeten aus dem Weltall geglückt. Aus Lichtjahren Entfernung wäre dieser Befund aber so nicht möglich gewesen.

Planeten aufzuspüren, die außerhalb des Sonnensystems durch die Finsternis ziehen – Hunderttausende bis Millionen Mal so weit von uns entfernt wie die Sonne –, ist ein kompliziertes Unterfangen. Schließlich sind sie viel kleiner und leuchten viel schwächer als ihre Sterne, etwa wenn sie deren Licht in unsere Richtung reflektieren oder selbst Wärmestrahlung aussenden. Es ist zwar spekulativ, aber sogar in unserem Sonnensystem, direkt in unserem kosmischen Hinterhof, könnte sich ein Planet verstecken, der noch nicht mit Teleskopen entdeckt wurde. Wenn es irgendwo dort draußen bewohnbare Welten gibt, sind sie allenfalls als mikroskopische und schwach leuchtende Punkte zu erkennen, die sich im gleißenden Licht des Sterns verbergen. Es ist, als wolle man ein kleines Steinchen im Licht eines Flutlichtstrahlers auf dem Mond ausmachen.

Auf der Suche nach Atmosphären um ferne Gesteinsplaneten

Erst in den 1990er-Jahren wurden die ersten Planeten außerhalb des Sonnensystems entdeckt. Inzwischen kennen Astronominnen und Astronomen fast 6000 Exoplaneten. Nur rund 80 von ihnen, vornehmlich massive Gasriesen, die im Infrarotlicht sichtbare Wärmestrahlung aussenden, wurden direkt fotografiert. Den Rest entdeckten Planetenjägerinnen und -jäger nur indirekt und mit großer Raffinesse in den Untiefen der Milchstraße, über 70 Prozent davon mit der sogenannten Transitmethode: Wenn ein Planet von uns aus gesehen vor seinem Stern vorbeizieht, blockiert er einen winzigen Teil des Sternenlichts. Im Extremfall scheint die Gesamthelligkeit des Sterns dabei um wenige hundertstel Prozent abzunehmen, und aus diesem schwachen Flackern lässt sich auf die Größe und Umlaufdauer des Planeten schließen. Die Methode funktioniert freilich umso besser, je größer der Planet ist.

Diese indirekte Messung verrät jedoch nichts darüber, ob erdähnliche Gesteinsplaneten eine Atmosphäre besitzen, weil deren Atmosphäre viel zu dünn ist, um bei der Abschattung des Sternenlichts eine Rolle zu spielen – bei der Erde etwa trägt die Gasschicht nur weniger als ein Prozent zum Gesamtdurchmesser bei. Laura Kreidberg und ihre Kolleginnen und Kollegen nutzen daher einen Trick. Scheint das Licht des dahinterliegenden Sterns durch die Gashülle des umlaufenden Planeten, trifft es dort auf Gasmoleküle und reagiert mit ihnen: Ob Wasserdampf, Methan oder Kohlendioxid – jedes Molekül hinterlässt im Sternenlicht, im Spektrum aller Farben und Wellenlängen, charakteristische Spuren, und anhand dieser Fingerabdrücke versuchen die Astronominnen und Astronomen, Rückschlüsse darauf zu ziehen, wie die Atmosphäre zusammengesetzt ist.

„Wir treiben die Messgeräte an ihre Grenzen“

Für die sogenannte Transmissionsspektroskopie – also die Aufschlüsselung des Sternenlichts, das bei seiner Reise durch die Planetenatmosphäre verändert wurde – nutzen Kreidberg und ihr Team das James-Webb-Weltraumteleskop. „Es ist das fortschrittlichste wissenschaftliche Instrument, das je ins All gebracht wurde“, schwärmt Kreidberg, „es wurde fast drei Jahrzehnte lang entwickelt, und ich habe das Glück, genau zur richtigen Zeit geboren worden zu sein, um damit arbeiten zu dürfen.“ Und auch wenn das gemessene Signal schwach ist, finden sich Fingerabdrücke chemischer Elemente in Welten, die viele Lichtjahre entfernt liegen. „Wir treiben die Messgeräte an ihre Grenzen“, erklärt sie. Ehe Forschende sich an die Gesteinsplaneten heranwagen, lohnt sich ein Blick auf eine besondere Planetenklasse, die sogenannten Sub-Neptune. Ihre Größe und Dichte liegt irgendwo zwischen Erde und Neptun. Was sie so wertvoll für die Spektroskopie macht: Viele dieser Art haben gewaltige Atmosphären, und je ausgedehnter die Atmosphäre, durch die das Sternenlicht dringt, desto stärker ist das Signal, das die Moleküle der Atmosphäre im Sternenlicht hinterlassen.

Ein Beispiel ist K2-18 b, der einen Roten Zwergstern umkreist. Neben einer Menge Wasserstoff haben Astronominnen und Astronomen auch Kohlenstoffdioxid und Methan in den Spektren des James-Webb-Teleskops aufgezeichnet. Wäre die Atmosphäre von K2-18 b bloß so dünn wie die der Erde, wäre es umso schwerer gewesen, die fragilen Spuren der Gase im Rauschen der Daten auszumachen – selbst wenn sie existierten. Im Jahr 2025 kam dann der Aufschrei, der durch die Nachrichten ging: Mögliche Lebenszeichen entdeckt! Tatsächlich gab ein Forschungsteam an, in der Atmosphäre von K2-18 b möglicherweise Anzeichen für Moleküle gefunden zu haben, die hier auf der Erde nur pflanzliches Plankton produziert. Laura Kreidberg mahnt zur Vorsicht: „Diese Behauptungen sind vollkommen haltlos.“ Gemeinsam mit vielen Kolleginnen und Kollegen versucht sie seither diesen Hype auf den Boden der Tatsachen zurückzuholen. Denn die Daten sind eigentlich viel zu verrauscht, diese komplexen Moleküle statistisch nicht sicher nachweisbar – wenn sie überhaupt stabil sind: Je tiefer man in eine Atmosphäre eintaucht, desto mehr steigen Druck und Temperatur. Auf der tiefliegenden Oberfläche von K2-18 b könnte es tausend Mal so heiß sein wie auf der Erde. Das ist ein schlechtes Zeichen für DNA und Leben. „Dieser Planet hat definitiv kein Leben!”, schreibt Kreidberg in einem Kommentar im Scientific American. Man könnte den Eindruck bekommen, die Wissenschaft sei sich nicht einig, doch das Gegenteil ist der Fall. Kurz nachdem sich die Nachricht von angeblichen Lebenszeichen wie ein Lauffeuer zu verbreiten drohte, hielt die Forschungsgemeinschaft vehement dagegen. Auch wenn viele gern Lebenszeichen gefunden hätten, Wissenschaft folgt einer Methode, und die gilt für alle. 

Mehrdeutige Ergebnisse

Aber selbst wenn methodisch sauber gearbeitet wurde, bleibt Interpretationsspielraum. Bevor Astronominnen und Astronomen aus den Messdaten Schlüsse ziehen, müssen sie diese mit Modellen abgleichen, die mathematisch beschreiben, wie sich das Sternenlicht beim Flug durch die Atmosphäre hindurch verändert, wenn diese sich verschiedentlich zusammensetzt. Je nachdem, welches Modell die Forschenden zugrunde legen, kann ein und derselbe Datensatz zu unterschiedlichen Schlüssen führen, erst recht bei so schwachen Signalen. Deshalb arbeiten in Heidelberg meist zwei Teams unabhängig an denselben Daten, jedes mit einem anderen Modellansatz. „Allgemein gilt es als gute Praxis, mindestens zwei unabhängige Analysen der Daten durchzuführen, um sicherzustellen, dass Schlussfolgerungen verlässlich sind“, sagt Laura Kreidberg.

Die Herausforderung, auf diese immensen Distanzen eine Atmosphäre zu entdecken und zu untersuchen, ist gewaltig. Atmosphären sind hochdynamische Systeme, auf der Erde etwa beeinflussen sich Ozeane, Wolken, Pflanzen, Vulkane und Lebewesen gegenseitig, es gibt chemische Reaktionen, Schichtungen, Strömungen, Durchmischungen. Ein so komplexes System aus Hunderten bis Tausenden Lichtjahren Entfernung zu rekonstruieren, ist gewagt. Zumal wenn der Planet vielleicht gerade gar nicht vor, sondern hinter seinem Stern vorbeizieht, während James Webb auf ihn gerichtet ist. „Das ist das, was mich nachts wach hält“, gesteht Kreidberg, „die Sorge, dass wir zur falschen Zeit hinschauen.“ Hinzu kommt: Sollte es da draußen eine zweite Erde geben, die ihren Heimatstern im selben Abstand umkreist wie unsere Erde die Sonne, dann ist ihre Umlaufbahn höchstwahrscheinlich gerade nicht genau so geneigt, dass sie von uns aus gesehen exakt über den Stern führt – eine solche Konstellation tritt nur in fünf von tausend Fällen auf.

Die Venus scheint selten

Bevor man Zeit und Mühe investiert, mit James-Webb-Spektren nach Atmosphären zu suchen, deren Moleküle entweder selbst messbares Licht aussenden oder das durchscheinende Licht des dahinterliegenden Sterns prägen, lohnt sich ein Vorab-Check: Gibt es da überhaupt Hoffnung auf eine Atmosphäre? Um das im Voraus abzuklären, messen Kreidberg und ihr Team die Oberflächentemperatur von Gesteinsplaneten aus dem Helligkeitskontrast zwischen Planet und Stern. Die Forschenden konzentrieren sich dabei auf Planeten, die Rote Zwergsterne umkreisen.

Solche Systeme zu finden ist einfach. Denn dieser Sterntyp ist der häufigste und macht drei Viertel aller Sterne der Milchstraße aus. Außerdem sind Rote Zwerge kleiner und nicht so hell wie die Sonne, was es erleichtert, Planeten um diese Sterne zu vermessen. Und diese Zwergsterne sind vergleichsweise leicht, Gesteinsplaneten umkreisen sie in kürzerem Abstand als die Erde die Sonne. Die dabei wirkenden Gezeitenkräfte führen dazu, dass solche Planeten den Roten Zwergen häufig dieselbe Seite zeigen – wie der Mond der Erde –, und genau das hilft Kreidberg und ihrem Team bei der Suche nach einer Atmosphäre. Die Planeten besitzen dadurch nämlich eine heiße, ständig bestrahlte Tagseite und eine eiskalte, ewige Nachtseite. Je nachdem, wo sich diese Planeten auf ihrer Umlaufbahn befinden, sind von der Erde aus unterschiedliche Anteile der Tagseite zu sehen, vergleichbar mit den unterschiedlichen Phasen des Mondes. Die Temperaturunterschiede zwischen diesen beiden Seiten nutzen die Forschenden als diagnostisches Werkzeug: Existiert eine Gashülle, sollte sie die Wärme auf der Planetenoberfläche verteilen, und der Temperaturunterschied zwischen Tag- und Nachtseite wäre gering – so wie bei der Venus. Zeigt sich die Tagseite hingegen extrem heiß und die Nachtseite eisig kalt, deutet das auf eine nackte Oberfläche ohne Atmosphäre hin. Und das ist der entscheidende Vorteil dieser Temperaturmethode, denn Transmissionsspektren des Sternenlichts sind nicht immer aussagekräftig – vor allem wenn diese keine oder nur schwer messbare Signaturen in sich tragen. Das könnte daran liegen, dass es tatsächlich keine Atmosphäre gibt, Wolken in der fernen Atmosphäre das Signal abschirmen oder dass die Atmosphäre so kompakt ist, dass kaum Licht des dahinterliegenden Sterns auf dem Weg zu uns durch sie dringt.

Haben die Heidelberger um Laura Kreidberg auf diese Weise endlich die ersten Spuren einer lebensfreundlichen Atmosphäre auf einer fernen Gesteinswelt entdeckt, endlich die ersten Indizien, dass wir nicht allein im Universum sind? „Leider haben wir schlechte Nachrichten“, sagt Kreidberg, „keiner der Gesteinsplaneten, die wir seit 2024 untersucht haben, scheint eine Atmosphäre zu besitzen – eine dicke Atmosphäre, um genau zu sein.“ Dicke Atmosphären wie die der Venus üben einen vergleichsweise hohen Druck auf die Planetenoberfläche aus und sind mit der Temperaturmethode leicht zu finden. Aber was bedeutet das für die Erde? Wie einzigartig ist sie? Laura Kreidberg formuliert vorsichtig: „Es ist zu früh, um zu sagen, dass die Erde besonders ist. Aber die Venus ist es.“ Dieser Befund klingt zunächst enttäuschend. Jedoch haben Kreidberg und ihre Mitstreitenden bisher nur rund zehn Planeten im Detail analysiert. Es ist eine sehr kleine Stichprobe inmitten der Milliarden Planetensysteme, die es in der Milchstraße geben muss, und damit kein Beweis gegen eine zweite Erde. „Nach dem, was wir bisher gesehen haben, halte ich es für das wahrscheinlichste Szenario, dass zumindest dicke Atmosphären einfach selten sind“, interpretiert die Astronomin. Und es liegt im Rahmen des Möglichen, dass die Gesteinswelten, die sie mit James Webb bisher in den Fokus genommen hat, heiß und dem Weltall ungeschützt ausgeliefert sind.

Die Erde: eine Folge glücklicher Zufälle

Das überrascht. Schließlich gast Kohlendioxid aus dem Inneren von Gesteinsplaneten aus und bleibt, anders als flüchtigere Gase, stabil in der Atmosphäre, selbst unter der intensiven Röntgen- und UV-Strahlung Roter Zwerge, die andere Moleküle über Jahrmillionen wegradiert. Auch die Erde war von einer schweren Hülle des Treibhausgases umgeben, ehe die Fotosynthese vor wenigen Milliarden Jahren das meiste CO_₂ abbaute. Die entscheidenden Fragen lauten also: Finden sich keine erdähnlichen Atmosphären um erdgroße Planeten, weil sie nie da waren? Oder weil sie von den temperamentvollen Roten Zwergen inzwischen fortgeweht wurden? Laura Kreidberg blickt optimistisch nach vorn: „In zehn Jahren werden wir die Atmosphären von weiteren 50 Gesteinsplaneten vermessen haben, dann ergibt sich ein deutlicheres Bild, was typisch fürs Universum ist und was nicht.“

Vielleicht ist die Handvoll Planeten, die bisher untersucht wurden, schlicht eine besonders ungünstige Stichprobe gewesen? Möglicherweise braucht es einen ruhigeren Stern wie die Sonne, damit sich um die Gesteinsplaneten eine stabile Hülle bildet. Solche Sterne sind seltener und machen nur etwa 20 Prozent in der Milchstraße aus. Ein sonnenähnlicher Stern alleine dürfte aber nicht reichen. Die Erdatmosphäre könnte auch Ergebnis weiterer kosmischer Zufälle sein: Die Erde ist weder zu groß noch zu klein, weder zu heiß noch zu kalt, sie besitzt ein Magnetfeld, das die Gashülle ausreichend vor starken Sonnenstürmen schützt, die auch die Sonne regelmäßig abstrahlt; die Erde hat einen Mond, der für stabile Achsenneigung und Gezeiten sorgt, Ozeane, die CO_₂ speichern, eine tektonisch aktive Kruste, die Gase zirkulieren lässt, und hat einen Jupiter in der Nachbarschaft, der mögliche Killer-Asteroiden vom Kurs ins innere Sonnensystem ablenkt. „Was die Erdatmosphäre hat entstehen und bestehen lassen, hat die Wissenschaft noch längst nicht verstanden“, sagt Kreidberg, „der Blick auf andere Planeten und wie sich dort Atmosphären bilden oder nicht, wie sie verschwinden oder bleiben, kann auch hier zur Klärung beitragen.“ Die Suche nach Gesteinsplaneten mit Atmosphäre ist kein simpler Blick durch ein Fernrohr, es ist ein mühevolles Messen am Rande der technischen Möglichkeiten, eine Spurensuche im Rauschen eines Datenozeans, ein Spiel mit Wahrscheinlichkeiten und Modellen. Jeder Hinweis, den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Tiefen des Alls bergen, bringt uns zudem näher an die Antwort auf eine der grundlegendsten Fragen, die sich Menschen stellen können: Sind wir allein? „In einer Welt, die mit vielen Herausforderungen konfrontiert ist, vom Klimawandel bis zu Kriegen, zeigt diese Forschung, wie besonders die Erde wirklich ist und wie sehr sie geschätzt und geschützt werden sollte“, sagt Laura Kreidberg.