Seit Jahrhunderten fasziniert uns Menschen die Idee, wir seien nicht die einzigen Lebewesen im Universum. Als der italienische Physiker Galileo Galilei (1564 bis 1642) mit dem kurz zuvor erfundenen Teleskop den nächtlichen Himmel durchforschte, sah er Berge auf dem Mond und erkannte, daß andere Planeten kugelförmig sind wie die Erde. Etwa 60 Jahre später beobachtete man auf dem Mars weiße, wie Eis aussehende Polkappen sowie Farbänderungen, die man als jahreszeitlich veränderliche Vegetation interpretierte (heute weiß man, daß sie von Sandstürmen verursacht werden). In der zweiten Hälfte unseres Jahrhunderts wurden auf den Marsaufnahmen unbemannter Raumsonden Kanäle entdeckt, die von längst verschwundenen Flüssen stammen müssen. Dies gab zwar erneut Spekulationen Auftrieb, auf dem Mars habe einst Leben existiert; doch Bodenproben, welche die Landeeinheit der Viking-Raumsonde in den siebziger Jahren analysiert hatte, erbrachten keinerlei Beweise dafür.

Alles in allem vermag offenbar in unserem Sonnensystem gegenwärtig Leben nur auf unserem Planeten zu gedeihen. Aber seit kurzem können wir die Fahndung nach außerirdischem Leben auf Bereiche jenseits unseres eigenen Sonnensystems erweitern: Nach jahrelanger Suche hat man nun Indizien für die Existenz von Planeten, die ferne sonnenähnliche Sterne umkreisen (siehe Kasten auf der nächsten Doppelseite).

Möglicherweise haben sich auf solchen Sternbegleitern Organismen entwickelt. Obwohl deren Nachweis auf den ersten Blick als geradezu hoffnungslos erscheint, ließe sich im Prinzip innerhalb des nächsten Jahrzehnts das Instrumentarium konstruieren, das in den Tiefen des Alls Spuren von Lebensformen ähnlich den primitiven irdischen aufspüren könnte.

Das derzeit größte und leistungsstärkste im Weltraum stationierte Fernrohr, das Hubble-Teleskop, vermag gerade noch einzelne Berge auf dem Mars zu unterscheiden (Spektrum der Wissenschaft, August 1992, Seite 52). Um grobe Oberflächenstrukturen auf Planeten anderer Sterne einigermaßen scharf darzustellen, müßte man mehrere Teleskope im erdnahen Weltraum auf eine Fläche von der Größe der USA verteilen und die Bilddaten kombiniert auswerten. Selbst Raumsonden-Aufnahmen der Erde lassen, wie Carl Sagan von der Cornell-Universität in Ithaca (US-Bundesstaat New York) betont hat, allenfalls bei extrem hoher Auflösung die Existenz von Leben erahnen. Gewiß könnten im Prinzip unbemannte Raumfahrzeuge ferne Sonnensysteme inspizieren; aber wegen der enormen Entfernungen würden Jahrtausende bis zur Rückmeldung vergehen.

Ohnedies sind Photographien in der Astronomie weniger aufschlußreich als spektroskopische Verfahren: Durch Analyse des von Weltraumobjekten ausgehenden Lichts lassen sich deren Temperatur, Atmosphärendruck und chemische Zusammensetzung erschließen.

Die auffälligsten Lebenszeichen wären freilich Radiowellen, die Nachrichten Außerirdischer enthalten. Solche Funksignale würden sich deutlich von natürlichen Strahlungsphänomenen unterscheiden. Doch bisher hat man keines empfangen; dies bedeutet, daß ferne Zivilisationen, die zum Bau entsprechender Sender fähig wären, jedenfalls sehr selten sind.

Andererseits sind aber erst recht Organismen denkbar, die nicht – oder nicht über interstellare Distanzen abhörbar – kommunizieren. Darum haben wir ein leistungsstarkes Spezialteleskop entworfen, das nicht nur ferne Planeten besser aufzuspüren, sondern dort sogar Anzeichen einfachster Lebensformen zu entdecken vermöchte.


Sauerstoff als Lebenszeichen

Auf unserem Heimatplaneten haben schon die primitivsten Organismen die Verhältnisse derart verändert, daß dies einem weit entfernten Beobachter auffallen könnte. Bereits eine Milliarde Jahre nach Entstehung der Erde breiteten sich, sobald der anfangs heftige Planetoideneinfall nachließ, Bakterien und Algen fast über den gesamten Globus aus; sie bildeten für die nächsten zwei Milliarden Jahre die einzigen Lebensformen. Sofern es auf anderen Planeten Leben gibt, verharrt es wahrscheinlich ebenfalls lange auf diesem stummen Entwicklungsstand.

Schon die einfachen Cyanobakterien sind höchst aktive Chemiker. Mit der Zeit haben sie die Atmosphäre mehr und mehr mit Sauerstoff angereichert. Das ist typisch für alle Lebensformen auf Kohlenstoffbasis, die Photosynthese treiben: Sie nehmen Wasser und Kohlendioxid für ihre fundamentale Stoffwechselreaktion mittels Lichtenergie auf und setzen dabei Sauerstoff frei. Die Konzentration dieses reaktionsfreudigen Gases würde rasch abnehmen, wenn es nicht kontinuierlich durch bestimmte Bakterien, Algen und mittlerweile auch höhere Pflanzen nachgeliefert würde.

Somit ist ein relativ hoher Anteil von Sauerstoff in einer Planetenatmosphäre ein erstes Indiz für Leben auf Kohlenstoffbasis – und das Element Sauerstoff hinterläßt im planetaren Strahlungsspektrum eine untrügliche Spur.

Toby C. Owen, damals an der Staatsuniversität von New York in Stony Brook tätig, schlug 1980 vor, im roten Spektralbereich des von den Planeten unseres Sonnensystems reflektierten sichtbaren Lichts nach Anzeichen für Sauerstoff als Indiz für Leben zu suchen. Carl Sagan wies dann 1993 darauf hin, daß die Raumsonde Galileo beim Umrunden der Erde das charakteristische Sauerstoffsignal registriert hatte. Tatsächlich sendet unser Heimatplanet schon seit mindestens 500 Millionen Jahren dieses Lebenszeichen ins All hinaus.

Gewiß läßt sich nicht prinzipiell ausschließen, daß auf einem unbelebten Planeten irgendeine nicht-biologische Sauerstoffquelle existiert. Umgekehrt könnte es Lebensformen geben, die nicht auf Kohlenstoffverbindungen beruhen und keinen Sauerstoff freisetzen. Doch gute Gründe sprechen dafür, daß die Biochemie auf anderen Planeten – wenn es sie denn gibt – der unseren ähneln dürfte: Kohlenstoff ist nämlich im Weltall reichlich vorhanden, und kein anderes Element vermag eine vergleichbare Vielfalt komplexer und dennoch stabiler Moleküle zu bilden.


Die Suche nach erdähnlichen Planeten

Offenbar ist unser Planet dem Leben vor allem durch seinen Reichtum an Wasser günstig: Es ist ein Lösungsmittel für biochemische Reagenzien und dient als Quelle für den von lebender Materie benötigten Wasserstoff.

Leben auf Kohlenstoffbasis entstünde wohl am ehesten auf Planeten, die in Größe und Entfernung vom Zentralgestirn der Erde ähneln, denn dann wäre es für Wasser in flüssigem Zustand weder zu heiß noch zu kalt. Der mittlere Bahnradius eines Planeten, bei dem seine Oberflächentemperaturen und damit die Bedingungen für das Entstehen von Leben gerade richtig sind, läßt sich leicht abschätzen. Einen großen und heißen Stern, der 25mal so hell ist wie die Sonne, müßte ein erdähnlicher Planet etwa im Abstand des Jupiter umkreisen; bei einem kleinen und kühlen Stern von nur einem Zehntel der Sonnenhelligkeit entspräche die ideale Umlaufbahn der des Merkur.

Doch die richtige Distanz zur Strahlungsquelle nützt wenig, wenn die Anziehungskraft des Planeten nicht ausreicht, Ozeane und eine Atmosphäre festzuhalten. Gliche er beispielsweise dem Mond, der viel kleiner und weniger dicht ist als die Erde, würden sich Spuren von Wasserdampf und anderen Gasen rasch in den Weltraum verflüchtigen.

Umgekehrt zieht das Schwerefeld eines sehr großen Planeten Gase aus dem Weltraum an. Vermutlich hat Jupiter auf diese Weise nach und nach seine gewaltige Hülle aus Wasserstoff und Helium angesammelt. Daß Leben der uns bekannten Form auf solchen massereichen Gasbällen existieren könnte, ist höchst unwahrscheinlich.

Zwar wissen wir inzwischen ziemlich genau, wie ein geeigneter Planet aussehen muß, aber es ist überaus schwierig, überhaupt irgendein Objekt nachzuweisen, das einen fernen Stern umkreist. Die vorläufig beste Methode ist, nach geringen Bahn- oder Helligkeitsschwankungen des Sterns zu suchen, die sich nur durch die Existenz unsichtbarer Begleiter erklären lassen. So gewinnt man allerdings bestenfalls indirekt Aufschluß über Masse und Bahnradius von Planeten, nicht jedoch darüber, ob sie belebt sind (siehe auch Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1995, Seite 46).


Der Infrarot-Bereich

Auch spektroskopische Untersuchungen scheinen zunächst aussichtslos. Weil ein ferner Planet von seiner Sonne typischerweise um das Zehnmilliardenfache überstrahlt wird, glichen sie der Aufgabe, ein Glühwürmchen direkt neben einem Scheinwerfer auszumachen – und das aus mehreren tausend Kilometern Entfernung; und selbst wenn wir das von einem Sterntrabanten reflektierte Licht identifizieren könnten, wären die schwachen Sauerstoffspuren im sichtbaren Spektrum kaum nachzuweisen.

Darum haben wir zusammen mit Andrew Y.S. Cheng, der jetzt an der Universität Hongkong tätig ist, im Jahre 1986 vorgeschlagen, besser im mittleren Infrarot-Bereich zu suchen, einer Wellenlänge, die zehn bis zwanzigfach so groß ist wie die von sichtbarem Licht. Als Wärmestrahlung emittiert ein Planet etwa 40mal so viele Photonen (Lichtquanten) wie bei kürzeren Wellenlängen, und das Zentralgestirn überstrahlt ihn nur um das Zehnmillionenfache – immerhin tausendfach weniger als im sichtbaren Rot.

Außerdem lassen sich durch Analyse des Infrarot-Spektrums drei Verbindungen, die auf belebten Planeten vermutlich zusammen auftreten, leicht erkennen, nämlich Ozon (die dreiatomige Modifikation des Sauerstoffs, die sich vor allem in den oberen Schichten der Atmosphäre findet), Kohlendioxid und Wasser. Eine Spektraluntersuchung unseres eigenen Sonnensystems spricht für das Verfahren: Nur die Erde weist im Infraroten diese Charakteristik auf; unsere Nachbarn Mars und Venus haben eine nur an Kohlendioxid reiche Atmosphäre (Bild 2).

Was für ein Instrument brauchten wir nun? Einige Teleskope können heute schon vom Boden aus die starken Infrarot-Emissionen einzelner Sterne empfangen. Doch die von der Erdatmosphäre und dem Gerät selbst abgestrahlte Wärme würde jede Spur eines Planeten völlig überdecken. Vor allem prägt die Erdatmosphäre der Strahlung genau die Anzeichen von Ozon, Kohlendioxid und Wasser auf, die wir auf einem anderen Planeten zu finden hoffen. Folglich muß das Teleskop im Weltraum stationiert und auf mindestens 50 Kelvin (rund minus 225 Grad Celsius) gekühlt werden.

Selbst dann müßte ein herkömmliches Instrument, um die Strahlung eines Planeten von der seiner Sonne unterscheiden zu können, viel größer sein als alle bisher gebauten. Weil das Abbild eines fernen Sterns sich bestenfalls auf einen Fleck fokussieren läßt, der so groß ist wie die beobachtete Wellenlänge, entsteht stets nur ein verschwommener Lichtkern, der von einem schwachen Halo umgeben ist; auch ein makelloser Teleskopspiegel erzeugt kein absolut scharfes Bild. Reicht der Halo des Sterns über die Planetenbahn hinaus, verdeckt er den viel schwächeren Schein des Trabanten.

Mit immer größeren Spiegeln könnte man die Auflösung zwar im Prinzip beliebig verbessern, doch dabei stößt man bald an technische Grenzen: Die Untersuchung von Planetensystemen bis in 30 Lichtjahre Entfernung erforderte fast 100 Meter Durchmesser.


Interferenz-Teleskope

Einen Ausweg aus diesem Dilemma wies Ronald N. Bracewell von der Universität Stanford (Kalifornien) schon vor 23 Jahren. Er wollte zwei Ein-Meter-Teleskope im Abstand von 20 Metern koppeln, um nach großen und kalten Planeten von der Art des Jupiter zu suchen.

Würde man beide Instrumente auf denselben Stern richten, könnte man die von dem einen empfangenen Lichtwellen invertieren – das heißt Wellenberge in Täler verwandeln und umgekehrt – und den vom zweiten Teleskop aufgenommenen exakt überlagern. In dem Kompositbild wären sowohl Kern als auch Halo des Sterns unsichtbar. Ideal ausgerichtet sind die Teleskope, wenn die Sichtlinie zum Stern senkrecht auf der Mitte ihrer Verbindungslinie steht; dann empfangen beide genau die gleichen Strahlungsmuster. Solche Geräte heißen Interferometer, weil sie die Interferenz von Lichtwellen nutzen (Bild 3).

Die Strahlung eines Objekts, das den Stern in einiger Entfernung umkreist, empfangen die beiden Teleskope hingegen nicht genau gleichzeitig, und darum heben sich dessen normale und invertierte Lichtwellen nicht auf. Dieses Infrarot-Signal läßt sich analysieren, indem man das System um die Verbindungslinie zwischen ihm und dem Stern dreht. Dabei müßte ein Planet sich durch charakteristische Helligkeitsschwankungen verraten (Bild 4).

Bracewell erkannte freilich bald, daß das größte Hindernis beim Aufspüren eines jupiterähnlichen Planeten nicht der blendende Schein des Zentralgestirns ist, sondern das Zodiakallicht. Dieses an Staubpartikeln in unserem eigenen Sonnensystem gestreute Sonnenlicht überstrahlt das schwache Leuchten weit entfernter Planeten fast völlig; sie ließen sich bestenfalls entdecken, wenn man die Messungen mindestens eines Monats mittelte.

Außerdem stießen wir bei dem Versuch, Bracewells Entwurf auf Planeten anzuwenden, die kleiner sind als Jupiter und engere Bahnen beschreiben, auf ein weiteres Problem: Kein Interferometer vermag das Sternenlicht gänzlich zu eliminieren. An den Rändern des abgedunkelten Bereichs würden extrem schwach leuchtende Objekte, die nicht viel größer sind als die Erde, ohne weiteres überstrahlt.

Wie mehrere andere Forscher haben auch wir an diesem Problem gearbeitet. Einer von uns (Angel) schlug 1990 vor, vier Teleskope rhombusförmig anzuordnen; doch damit das System das Zodiakallicht unterdrücken könnte, müßte jeder Spiegel acht Meter Durchmesser haben. Alain Léger von der Universität Paris fand schließlich eine praktikable Lösung: Man läßt das Interferometer etwa in der Entfernung des Jupiter um die Sonne kreisen. Dort würde das Instrument von selbst ausreichend gekühlt und wegen der geringen Staubpartikel-Dichte kaum von Zodiakallicht gestört. Deswegen müßte das Gerät auch nicht allzu groß sein; schon vier Ein-Meter-Teleskope würden ausreichen. Der einzige Nachteil wäre, daß das Licht des Zentralgestirns so wirksam ausgeblendet würde, daß auch ein Planet mit kleinem Bahnradius unsichtbar sein könnte.

Danach ruhte das Thema bis 1995, als die amerikanische Luft- und Raumfahrtbehörde NASA von den Fachwissenschaftlern Vorschläge zur Erforschung anderer Sonnensysteme erbat. Sie beauftragte drei Gruppen, verschiedene Methoden zu untersuchen. Wir stellten ein Team zusammen, dem Bracewell, Léger und Jean-Marie Mariotti von der Pariser Sternwarte sowie 20 weitere Wissenschaftler und Ingenieure angehören.


Ein Spezial-Interferometer

Insbesondere haben wir beide ein neuartiges System entworfen (Bild 1). Bei diesem Interferometer sind vier Teleskopspiegel paarweise längs einer Geraden angeordnet: Je zwei verdunkeln das Hauptbild des Sterns, und zusätzlich löscht jedes Spiegelpaar das restliche Sternenlicht des anderen aus.

Weil dieses Gerät den Zentralstern sehr wirksam auszublenden vermag, kann es ziemlich lang sein – 50 bis 75 Meter. Das hat den großen Vorteil, daß man komplexe und eindeutige Planetensignale erhält. Aus den Daten läßt sich ein getreues Abbild ferner Planetensysteme rekonstruieren (Bild 5).

Würde man das Interferometer aus mehreren Lichtjahren Entfernung auf unser eigenes Sonnensystem richten, könnte es Venus, Erde, Mars, Jupiter und Saturn unterscheiden, und aus den spektroskopischen Daten ließe sich die chemische Zusammensetzung ihrer Atmosphäre ermitteln. Von unserem Sonnensystem aus könnte das Gerät ohne weiteres den neu entdeckten Planeten von 47 Ursae Majoris untersuchen. Vor allem würde es anderswo erdähnliche Trabanten aufspüren, die sonst unerkannt blieben – und es könnte überprüfen, ob es dort Kohlendioxid, Wasser und Ozon gibt.

Der Bau eines solchen Instruments wäre vielleicht nur international zu realisieren. Wir schätzen, obgleich Details noch ausgearbeitet werden müßten, die Kosten auf rund drei Milliarden Mark – rund zehn Prozent des NASA-Raumforschungsbudgets für das nächste Jahrzehnt. Die Entdeckung von Leben auf einem anderen Planeten wäre aber gewiß die Krönung der bisherigen Erforschung des Weltraums. Die Technik dafür steht praktisch schon bereit.

Literaturhinweise

- Leben und Kosmos. Spektrum der Wissenschaft Spezial, Heidelberg 1994.

– A Space Telescope for Infrared Spectroscopy of Earthlike Planets. Von J. Roger P. Angel, A.Y.S. Cheng und Neville J. Woolf in: Nature, Band 322, Seiten 341 bis 343, 24. Juli 1986.

– Use of a 16 Meter Telescope to Detect Earthlike Planets. Von J. Roger P. Angel in: The Next Generation Space Telescope. Herausgegeben von P. Bely und C.J. Burrows. Space Telescope Science Institute, Baltimore 1990.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 1996, Seite 90
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH