Das Leben ist der wahrscheinlichste Grund für das Vorhandensein von Methan in der Atmosphäre von Exoplaneten
Das James Webb Super Power Weltraumteleskop wird nächstes Jahr auf den Markt gebracht. Sobald es eingesetzt ist und sich an Punkt 2 des Erd-Sonnen-Lagrange befindet, wird es seine Arbeit aufnehmen. Eine seiner Aufgaben ist es, die Atmosphäre von Exoplaneten zu erkunden und nach Biosignaturen zu suchen.
Dies scheint eine ziemlich einfache Aufgabe zu sein. Scannen Sie einfach die Atmosphäre, bis Sie Sauerstoff finden, obwohl die Realität viel komplizierter ist. Tatsächlich ist das Vorhandensein von Sauerstoff nicht immer zuverlässig.
Sauerstoff mag in der Atmosphäre eines Planeten als naheliegend erscheinen, wenn man nach Lebenszeichen sucht, ist es aber nicht. Seine Anwesenheit oder Abwesenheit ist kein verlässlicher Indikator. Die Geschichte der Erde zeigt dies deutlich.
Die heutige Erdatmosphäre enthält etwa 21% Sauerstoff, und Wissenschaftler wissen, dass der größte Teil davon von Organismen in den Ozeanen des Planeten stammt. Aber es gibt einen Haken: Als Cyanobakterien auf der alten Erde anfingen, Sauerstoff als Nebenprodukt der Photosynthese zu produzieren, dauerte es noch sehr lange, bis die Atmosphäre des Planeten mit Sauerstoff gesättigt war - vielleicht eine Milliarde Jahre.
Was wäre, wenn wir einen Exoplaneten erforschen, keinen Sauerstoff finden und dann weiterziehen würden, ohne zu bemerken, dass es zu Beginn der Sauerstoffversorgung dieser Welt Leben gibt? Was wäre, wenn wir eine Milliarde Jahre zuvor wären und das Leben die Atmosphäre des Exoplaneten noch nicht mit Sauerstoff versorgt hätte? Felsplaneten haben viele Sauerstofffänger, und biologisch erzeugter Sauerstoff ist in der Atmosphäre erst dann frei, wenn diese Fänger mit Sauerstoff gesättigt sind.
Dies ist, was auf der Erde passiert ist und was in anderen felsigen Welten passieren könnte. Auf der Erde steigt Magma aufgrund seiner geologischen Aktivität vom Mantel in die Kruste. Das meiste Material im Mantel, wie Eisen, bindet an Luftsauerstoff und zieht ihn aus der Atmosphäre heraus.
Dies ist einer der Gründe, warum sich Planetenforscher auf andere Dinge wie Methan (CH4) konzentrieren. In einem neuen Artikel untersuchten die Forscher die Fähigkeit von Methan, biologische Aktivität zu signalisieren. Sie sagen, dass das Methan in der Atmosphäre des Planeten wahrscheinlich nicht von Vulkanen stammt und höchstwahrscheinlich biologischen Ursprungs ist.
Es ist nicht einfach, mögliche Biosignaturen wie Methan in der Atmosphäre entfernter Exoplaneten zu finden. Aber sobald so etwas wie Methan gefunden wird, liegt noch mehr harte Arbeit vor uns. Seine Anwesenheit muss im Kontext des Planeten selbst untersucht werden.
Biosignaturforscher warten nicht untätig auf den Start des James Webb-Weltraumteleskops. Sie dachten viel darüber nach, Biosignaturen mit einem Teleskop zu erkennen. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass Planetenatmosphären, die in einem Nichtgleichgewichtszustand reich an Methan und Kohlendioxid sind, eine starke Biosignatur sein könnten. In ihrem Artikel stellen die Autoren fest, dass "... nur wenige Studien die Möglichkeit von nicht-biologischem CH4 und CO2 und verwandten kontextuellen Hinweisen untersucht haben". In diesem Fall bedeutet nicht-biologisch Vulkane.
Die Autoren wollten anhand eines thermodynamischen Modells untersuchen, ob durch die Entgasung von vulkanischem Magma auf erdähnlichen Planeten CH4 und CO2 in die Atmosphäre freigesetzt werden können. Tatsächlich stellten sie fest, dass Vulkane wahrscheinlich nicht die gleiche Menge Methan produzieren wie biologische Quellen. Das ist nicht unmöglich, aber fast unmöglich.
Dies liegt hauptsächlich daran, dass Wasserstoff gerne in Magma bleibt. H2O löst sich gut in Magma, was die Menge an emittiertem H und damit die Menge an CH4 in der Atmosphäre des Planeten begrenzt. Ein weiterer Grund ist, dass Niedertemperaturmagma erforderlich ist, um CH4-Gas zu entwickeln, während der größte Teil des Erdmagmas eine höhere Temperatur aufweist.
Die Autoren fanden heraus, dass Vulkanismus in unglaublichen Fällen, in denen große Mengen Methan produziert werden können, auch Kohlendioxid produziert. Die alte archäische Erde war viel vulkanischer aktiv als die moderne Erde. Während des Archäischen Zeitalters war der Wärmefluss der Erde dreimal so groß wie heute.
Laut der Studie könnte es 25-mal mehr Magma als die moderne Erde und viel mehr Methan produzieren. Die gleiche Aktivität, die all dieses Methan produzierte, würde aber auch viel mehr Kohlendioxid produzieren. Dies ist, wie von den Autoren festgestellt, ein nachweisbares falsch positives Ergebnis. Wenn jedoch eine reichliche Menge Methan ohne eine begleitende Menge CO2 gefunden wird, ist dies eine zuverlässigere Biosignatur.
Die Autoren sagen, es wäre schwierig, den Nachweis von Methan und Kohlendioxid zu erklären, ohne auf biologische Quellen zurückzugreifen, zumindest für erdähnliche Planeten. Sie kamen auch zu dem Schluss, dass die geringe oder vernachlässigbare Menge an Kohlenmonoxid in der Atmosphäre die CH4 + CO2-Biosignatur verbessert, weil „... das Leben leicht atmosphärisches CO verbraucht, während die Abnahme der vulkanischen Gase wahrscheinlich die Anreicherung von CO in der Atmosphäre des Planeten verursacht ".
Zusammenfassend warnen die Forscher, dass alle ihre Arbeiten auf dem basieren, was wir über die Erde und andere Planeten in unserem Sonnensystem wissen.