Einzigartige Signatur. Pflanzenplaneten vermutlich im Infrarot erkennbar
Copyright: Benoit Gougeon, Université de Montréal
Tokyo (Japan) – Die Detektion von Biosignaturen, also direkte Hinwesie auf biologische Prozesse, Leben, auf einem fernen Exoplaneten, gilt als nächster heiliger Gral der Astronomie. Eine neue Studie zeigt nun, Planeten die mehrheitlich von Pflanzen bedeckt sind, sollten in einer charakteristischen, nachweisbaren Infrarotwellenlänge leuchten.
Wie das Team um Yu Komatsu National Institutes of Natural Sciences Astrobiology Center am National Astronomical Observatory of Japan und Evan Gough von der Université de Montréal vorab via ArXiv.org und im „Astrophysical Journal“ (DOI: 10.3847/1538-4357/aca3a5) berichtet, könne angesichts eines Planeten mit viel Pflanzenbedeckung auch das von diesem Planeten reflektierte Licht eine Bisignatur sein.
Tatsächlich gehört die Charakterisierung der Atmosphären von Exoplaneten mit Hilfe der Infrarotspektrometrie zu den wissenschaftlichen Ziele des neuen James Webb Space Telescopes (JWST): Wenn Webb zum Beispiel große Mengen an Sauerstoff findet, ist das ein Hinweis darauf, dass möglicherweise biologische Prozesse am Werk sind und die Atmosphäre eines Planeten verändern.
Aber das JWST und andere Teleskope könnten auch eine andere Art von Biosignatur erkennen: „Die üppige Pflanzenwelt der Erde verändert die ‚Lichtsignatur‘ unseres Planeten. Die Veränderung basiert auf der Photosynthese und darauf, wie Pflanzen einige Lichtfrequenzen absorbieren, während sie andere reflektieren. Das resultierende Phänomen wird als ‚Vegetation Red Edge‘ (VRE) bezeichnet“, erläutert die Pressemitteilung der Universität Montréal.
Das Grundprinzip der Methode basiert basiert auf der Tatsache, dass Chlorophyll Licht im sichtbaren Teil des Spektrums absorbiert und im Infraroten fast transparent ist. Andere Zellstrukturen in der Vegetation reflektieren hingegen das Infrarot. Dies hilft Pflanzen, eine Überhitzung während der Photosynthese zu vermeiden. Diese Absorption und Reflexion ermöglichen es der Fernerkundung, die Gesundheit, Bedeckung und Aktivität von Pflanzen zu messen, und Agrarwissenschaftler verwenden sie zur Überwachung von Nutzpflanzen.
Wie das Team in seiner Publikation darlegt, haben sie Chlorophyll und seine solarinduzierte Fluoreszenz (SIF) untersucht. SIF steht dabei für das elektromagnetische Signal, das von „Chlorophyll a“, dem am weitesten verbreiteten Chlorophyllmolekül, ausgesendet wird. Ein Teil der von Chlorophyll a absorbierten Energie wird nicht für die Photosynthese verwendet, sondern bei längeren Wellenlängen als Zwei-Spitzen-Spektrum emittiert. Es deckt ungefähr den Spektralbereich von 650–850 nm ab.
Copyright: NASA Goddards Conceptual Image Lab/T.
In ihrer Studie untersuchen die Forschenden, wie die Fluoreszenz von Chlorophyll auf erdähnlichen Planeten nachgewiesen werden könnte. „Diese Studie untersuchte die Nachweisbarkeit der biologischen Fluoreszenz von zwei Arten von photosynthetischen Pigmenten, Chlorophyllen (Chls) und Bakteriochlorophyllen (BChls), auf erdähnlichen Planeten mit sauerstoffreichen/armen und anoxischen Atmosphären um die Sonne und M-Zwerge“, so die Autoren.
Das Vorhandensein von Chlorophyll auf einer anderen Welt nachzuweisen ist kompliziert. Es gibt ein komplexes Zusammenspiel zwischen Pflanzenwelt, Sternenlicht, Land-/Meeresabdeckung und atmosphärischer Zusammensetzung. Diese Studie ist Teil der laufenden Bemühungen, einige der Einschränkungen beim Nachweis zu verstehen und zu verstehen, welche spektroskopischen Daten Wissenschaftler über Exoplaneten verraten können.
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Die VRE stellt einen scharfen Abfall des beobachteten Lichts zwischen infrarotem und sichtbarem Licht dar. „Licht im nahen Infrarot (ab etwa 800 nm) ist viel heller als das Licht im optischen (zwischen etwa 350 bis 750 nm). Auf der Erde ist dies die Lichtsignatur der Pflanzen und ihres Chlorophylls. Das Chlorophyll absorbiert das Licht bis zu 750 nm, und andere Pflanzengewebe reflektieren Licht über 750 nm“, so die Autoren und Autorinnen.
Satelliten wie etwa „Terra“ der NASA können im Laufe der Zeit verschiedene Regionen auf der Erdoberfläche beobachten und beobachten, wie sich die Lichtreflexion ändert. Anhand des sog. „Normalized Difference Vegetation Index“ (NVDI) können so etwas ein dichter Waldstandort während der Hauptwachstumszeit anhand von Spitzenwerten erkannt werden, während vegetationsarme Regionen niedrige Werte liefern.
Zudem kann der sogenannte „Earthshine“ (Erdschein), also das Licht, das von der Erde auf den Mond reflektiert wird genutzt werden. „Dieses Licht ist die Gesamtheit des von der Erde reflektierten Lichts, was Wissenschaftler als scheibengemitteltes Spektrum bezeichnen. „Während die Fernerkundung lokale Gebiete auf der Erde beobachtet, liefern Earthshine-Beobachtungen scheibengemittelte Spektren der Erde, was zu fruchtbaren Einblicken in Exoplaneten-Anwendungen führt“, schreiben die Autoren. „Die scheinbare Reflexionsänderung im scheibengemittelten Spektrum der Erde aufgrund der Oberflächenvegetation beträgt weniger als 2%.“
Das Erdlicht, das wir auf dem Mond sehen, ähnelt dem Licht, das wir von fernen Exoplaneten wahrnehmen: „Es ist die Gesamtheit des Lichts gegenüber dem regionalen Oberflächenlicht. Aber es ist enorm komplex, dieses Licht zu untersuchen, und es gibt keine einfachen Vergleiche zwischen der Erde und Exoplaneten.“ Die VRE-Signale von Exoplaneten um andere Sterne als sonnenähnliche Sterne seien aufgrund der Komplexität der Photosynthesemechanismen in unterschiedlichen Lichtumgebungen schwierig vorherzusagen, so die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen. Aber es sei dennoch sinnvoll, auf Exoplaneten nach einem VRE zu suchen.
„Wenn Wissenschaftler einen Exoplaneten häufig beobachten, können sie möglicherweise erkennen, wie sich die VRE saisonal ändert, und sie können einen ähnlichen VRE-ähnlichen Schritt in der Spektroskopie des Planeten erkennen, obwohl er bei anderen Wellenlängen als auf der Erde auftreten könnte.“
In ihrer Untersuchten nutzten die Forschenden einen erdähnliche Planeten in verschiedenen Stadien der atmosphärischen Entwicklung. In den Szenarien umkreiste der Planet entweder einen sonnenähnlichen Stern, einen gut untersuchten Roten Zwerg namens „Gliese 667 C“ oder den ebenfalls bereits gut untersuchten Roten Zwerg „TRAPPIST-1“. Beide Roten Zwerge haben Planeten in ihren bewohnbaren Zonen, und beide repräsentieren gängige Arten von Roten Zwergen. Auf dieser Grundlage modellierten sie die Reflexion für Vegetationschlorophyll, bakterielle Vegetation auf Chlorophyllbasis und biologische Fluoreszenz ohne jegliche Oberflächenvegetation.
Als Ergebnis ihrer Analysen liegt nun eine Sammlung von Lichtkurven, die zeigen, wie verschiedene VREs auf erdähnlichen Exoplaneten in verschiedenen Stadien der atmosphärischen Entwicklung um verschiedene Sterne aussehen könnten.
Dabei sei es aber wichtig, verschiedene Stadien der atmosphärischen Entwicklung zu betrachten, da sich etwa die Erdatmosphäre von sauerstoffarm zu sauerstoffreich veränderte, während Leben vorhanden war. „Wir betrachteten Fluoreszenzemissionen von Chl- und BChl-basierter Vegetation bei klarem Himmel auf einem erdähnlichen Planeten um die Sonne und zwei M-Zwerge“, schreiben die Autoren.
Die Studie lieferte eine Reihe von Reflexionsdaten für erdähnliche Planeten um verschiedene Sterne.
Die Planeten wurden mit unterschiedlichen Atmosphären modelliert, die den unterschiedlichen Atmosphären der Erde während ihrer vier Milliarden Jahre langen Geschichte entsprechen. Die Forschenden variierten auch die Landbedeckung im Vergleich zur Meeresbedeckung, die Küstenlinien und ob die Oberfläche mit Pflanzen oder photosynthetischen Bakterien bedeckt war.
„Teleskope der nächsten Generation werden eine beispiellose Menge an Daten über Exoplaneten generieren, und diese Studie ist Teil der Vorbereitung darauf.
Wir entdecken immer mehr Exoplaneten und bauen ein statistisches Verständnis anderer Sonnensysteme und der Verteilungen, Massen und Umlaufbahnen von Exoplaneten auf. Als nächstes soll ein tieferes Verständnis der Eigenschaften von Exoplaneten gewonnen werden.“
Die Teleskope werden in der Lage sein, das Licht eines Exoplaneten vom Licht des Sterns zu trennen und einige Exoplaneten direkt abzubilden. „Es wird eine Flut von Daten über die Reflexion von Exoplaneten und potenzielle Biosignaturen freisetzen, und alle diese Daten müssen ausgewertet werden. Wenn wir jemals einen erdähnlichen Planeten lokalisieren, einen bewohnbaren und derzeit lebensfördernden Planeten, wird er nicht einfach in einem unserer Teleskope erscheinen und seine Anwesenheit ankündigen. Stattdessen gibt es verlockende Hinweise, Indikationen und Kontraindikationen. Wissenschaftler werden sich langsam und vorsichtig vorarbeiten, und eines Tages können wir vielleicht sagen, dass wir einen Planeten mit Leben gefunden haben. (…) Unsere Studie unternahm den ersten Versuch, die Nachweisbarkeit photosynthetischer Fluoreszenz auf erdähnlichen Exoplaneten zu untersuchen.“
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Recherchequelle: Université de Montréal
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