Schwefel: Ein neues Werkzeug zur Suche nach außerirdischem Leben?

Zürich (Schweiz) – Schwefel könnte ein entscheidender Indikator sein, um die Suche nach Leben auf anderen Planeten einzugrenzen. Allerdings nicht als Biomarker, also Anzeichen für vorhandenes Leben, sondern dagegen: Erhebliche Konzentrationen von Schwefeldioxid in der Atmosphäre eines Planeten könnten darauf hindeuten, dass dieser wahrscheinlich unbewohnbar ist – zumindest für Leben, wie wir es von der Erde kennen.

Wie das Team um Sean Jordan vom Institut für Partikel- und Astrophysik an der ETH Zürich aktuell im Fachjournal „Science Advances“ (DOI: 10.1126/sciadv.adp8105) berichtet, haben sie untersucht, wie atmosphärische Schwefelverbindungen genutzt werden können, um die innere Grenze der habitablen Zone (HZ) um Sterne genauer zu bestimmen. Während die HZ klassischerweise als der Abstandsbereich von einem Stern definiert wird, in dem aufgrund gemäßigter Temperaturen flüssiges Wasser auf der Oberfläche eines Planeten existieren kann, bleibt diese Annahme weitgehend theoretisch und experimentell ungetestet.

Die aktuelle Studie schlägt nun vor, dass aus das Fehlen von Oberflächenwasser ­– und nicht nur dessen Präsenz ­– eine klare Möglichkeit bietet, potenziell unbewohnbare Planeten zu identifizieren.

Schwefelverbindungen als Indikator für unbewohnbare Exoplaneten

Die Forschenden um Jordan argumentieren, dass Schwefelverbindungen wie Schwefeldioxid (SO₂) eine eindeutige chemische Signatur für trockene Planeten darstellen können. Auf der Erde wird SO₂ in der Atmosphäre schnell durch Regen ausgewaschen, was seine Konzentration geringhält. Doch auf extrem heißen oder trockenen Planeten ohne Oberflächenwasser kann sich SO₂ in der Atmosphäre anreichern. Seine Nachweisbarkeit hängt jedoch stark von der ultravioletten (UV) Strahlung des Zentralsterns ab. Selbst auf der Venus kaum Schwefeldioxid nachweisbar ist, weil es in den oberen Atmosphärenschichten durch ultraviolette Strahlung der Sonne in Schwefelsäure umgewandelt und nach unten transportiert wird.

Mithilfe von Klima-Chemie-Modellierungen zeigt die Studie, dass sich Exoplaneten hinsichtlich ihrer atmosphärischen Schwefelchemie in drei Kategorien (s. Titelabb.) einteilen lassen:

1. 1. Erdenähnliche Planeten (mit Wasser): Hier wird SO₂ durch Niederschlag entfernt, sodass es kaum in der Atmosphäre nachweisbar ist.
   2. Venusähnliche Planeten (hohe UV-Strahlung, aber ohne Wasser): In dichten Atmosphären mit hoher UV-Strahlung, wie bei Venus, wird SO₂ schnell zu Schwefelsäure (H₂SO₄) umgewandelt und aus der oberen Atmosphäre entfernt.
   3. Trockene Planeten mit geringer UV-Strahlung: Bei Planeten um M-Zwergsterne mit schwacher UV-Strahlung bleibt SO₂ stabil und kann in der oberen Atmosphäre nachgewiesen werden, was darauf hindeutet, dass kein flüssiges Wasser vorhanden ist.

Bedeutung für die Suche nach bewohnbaren Welten

Die Studie hebt hervor, dass viele rote M-Zwerge – die häufigsten Sterne in unserer Galaxie –­ eine geringe UV-Emission haben, wodurch Schwefelverbindungen über längere Zeiträume in der Atmosphäre stabil bleiben. Das bedeutet, dass der Nachweis von SO₂ auf einem Planeten um einen M-Zwerg ein klares Zeichen für eine trockene, unbewohnbare Umgebung sein könnte. Dies bietet eine neue Methode, um Exoplaneten effizienter zu kategorisieren: Anstatt nach Biosignaturen zu suchen, können Astronomen Planeten mit hoher SO₂-Konzentration von vornherein aus der Liste potenziell bewohnbarer Welten streichen.

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Allerdings könnte diese Methode für Systeme mit sehr hoher UV-Strahlung, wie etwa das TRAPPIST-1-System, weniger effektiv sein, da dort SO₂ möglicherweise durch photochemische Prozesse schnell entfernt wird. Daher schlagen die Autoren vor, eine groß angelegte Untersuchung der atmosphärischen Schwefelchemie bei M-Zwerg-Exoplaneten durchzuführen, um die habitablen Zonen dieser Sterne empirisch besser zu definieren.

Ausschluss als Kriterium für Habitabilität

Die Arbeit liefert einen wichtigen neuen Ansatz für die Suche nach bewohnbaren Exoplaneten. Statt sich ausschließlich auf den Nachweis von Wasser oder anderen Biosignaturen zu konzentrieren, könnte die Suche nach atmosphärischem Schwefeldioxid als negatives Kriterium genutzt werden, um unwirtliche Planeten auszusortieren. Dies könnte in Zukunft dazu beitragen, die begrenzten Beobachtungsressourcen auf die vielversprechendsten Kandidaten zu konzentrieren und so die Suche nach außerirdischem Leben effizienter zu gestalten.

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Recherchequelle: Science Advances

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Andreas Müller

Fachjournalist Anomalistik | Autor | Publizist