Freistetters Formelwelt: Wie man mit Mathematik nach außerirdischem Leben sucht
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Wir nennen die Erde den Blauen Planeten, weil gut zwei Drittel ihrer Oberfläche von Wasser bedeckt sind. Ohne Wasser gäbe es kein Leben auf der Erde. Aber sie ist weder der einzige Himmelskörper im Sonnensystem, auf dem wir dieses spezielle Molekül finden, noch hat sie davon am meisten.
Der Jupitermond Europa besitzt zum Beispiel fast doppelt so viel flüssiges Wasser wie alle irdischen Ozeane zusammen. Das macht ihn zu einem faszinierenden Forschungsobjekt. Mit einem Durchmesser von 3121 Kilometern ist der Mond nur wenig kleiner als der Erdmond. Die Durchschnittstemperatur beträgt dort aber nur etwa −170 Grad Celsius, daher ist Europa von einer mächtigen Eisschicht bedeckt. Doch darunter befindet sich ein flüssiger Ozean. Ob dort Leben möglich ist, hängt unter anderem davon ab, wie dick diese Eisschicht ist. Nur: Wie soll man das messen? Wir sind bisher nicht dort gelandet. Und selbst wenn, könnten wir dort kein Loch bis zum Ozean bohren.
Aber die Tiefe lässt sich dennoch bestimmen. Mit Mikrowellen und dieser Formel:
Diese Gleichung beschreibt die Helligkeitstemperatur TB, die keine echte Temperatur ist, sondern die Intensität elektromagnetischer Strahlung aus einer bestimmten Quelle. In dem Fall handelt es sich um Mikrowellenstrahlung, die wir im Alltag aus den entsprechenden Küchengeräten kennen, wenn wir Essen erwärmen. Auf Europa geht es aber nicht darum, das Eis zu schmelzen. Mikrowellen können in Eis eindringen – und zwar je nach Frequenz unterschiedlich tief. Da das Eis mit zunehmender Tiefe wärmer wird, misst man bei verschiedenen Frequenzen unterschiedliche Helligkeitstemperaturen.
Tatsächlich ist die Sache aber ein wenig komplizierter, und genau das umfasst die Formel. Tthermal beschreibt die thermische Emission aus dem Eis, während der Parameter R den Anteil der Strahlung angibt, der reflektiert wird. Auf Europa stammt ein Teil dieser reflektierten Mikrowellen vom Himmel, etwa aus Prozessen im starken Magnetfeld Jupiters, und geht als Tsky in das gesamte Signal ein. Die gemessene Strahlung ist also eine Mischung aus beidem: Ein Anteil (1 – R) der Strahlung kommt aus dem Eis; man wird aber auch einen Anteil R messen, der vom Himmel über Europa stammt und reflektiert wird. Das, was man am Ende detektiert, ist eine Mischung davon.
Keine Spuren außerirdischen Lebens
Die Raumsonde JUNO hat seit 2016 den Jupiter und seine Monde untersucht und 2022 auch Mikrowellenmessungen am Eis Europas durchgeführt. Der genaue Prozess der Datenauswertung ist komplex, aber am Ende lässt sich aus der Abhängigkeit der Helligkeitstemperatur von der Frequenz auf die Eisdicke schließen. Je dicker das Eis, desto stärker unterscheiden sich die Tiefen, aus denen die von den Mikrowellen übermittelten Temperaturinformationen stammen. Indem man bestimmt, wie stark die Helligkeitstemperaturen bei tief eindringenden Frequenzen differieren, kann man den Temperaturgradienten im Eis bestimmen. Der lässt sich mit theoretischen Modellen vergleichen, und so kann man die dazu passende Gesamtdicke bestimmen. Das Resultat: Über Europas Ozean befindet sich circa 30 Kilometer Eis.
Und, auch das konnte man aus den Messungen erkennen: Es gibt wenig große und tiefe Risse, also vermutlich keinen nennenswerten chemischen Austausch zwischen Oberfläche und dem flüssigen Wasser darunter. Man geht jedoch davon aus, dass gerade das nötig wäre, um in Europas Ozean die Bedingungen für Leben zu schaffen. Aber ausschließen lässt sich Leben dort natürlich trotzdem nicht.
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