Spektroskopie an Exoplaneten Gesucht: Gesteinsplanet mit guter Atmosphäre

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Wo ist es, das Leben auf fremden Planeten? Um der Antwort auf diese Frage näher zu kommen, analysieren Forscher Sternenlicht, welches die Atmosphäre von weit entfernten Exoplaneten durchdringt. Aus den Spektren ziehen sie Rückschlüsse auf die Umweltbedingungen und mögliche Biomoleküle in fremden Welten – eine potenzielle zweite Erde.

Gibt es in den Weiten des Weltalls einen Planeten wie unseren – nicht zu groß, nicht zu klein, nicht zu heiß, nicht zu kalt, aus Gestein und mit einer Atmosphäre, die Leben ermöglicht? Prof. Dr. Laura Kreidberg und ihr Team am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg suchen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop nach einer zweiten Erde.

Ein erdähnlicher Exoplanet – in der Astrophysik ist das eine nüchterne Kategorie für alle Planeten jenseits der Sonne, die in etwa so groß und schwer sind wie die Erde, aus Gestein bestehen und in einem solchen Abstand um ihren Stern kreisen, dass auf der Oberfläche flüssiges Wasser möglich ist. Dazu braucht es eine Glocke aus Gasen – die Atmosphäre –, die ihn durch den Treibhauseffekt wärmt und einen ausreichend hohen Druck auf die Oberfläche ausübt, sodass die Ozeane nicht zu kochen anfangen und verdampfen. Kreidberg, Direktorin am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, sucht in unserer Milchstraße nach eben solchen Atmosphären.

Die Atmosphäre als Signal des Lebens?

Aber wie viele Kandidaten gibt es da draußen überhaupt? Ein Blick in unsere direkte kosmische Nachbarschaft zeigt mit Venus, Erde und Mars drei Gesteinswelten, die in kosmischen Maßstäben eine etwa gleiche Größe, aber sehr unterschiedliche Atmosphären haben: Während die Erde eine dünne Atmosphäre hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff an sich bindet, herrscht auf der Venus ein erstickendes Treibhausklima unter einer dicken, fast hundert Mal schwereren Hülle aus Kohlendioxid, der Mars mit seiner hauchdünnen Gasschicht bietet hingegen ein eher sandiges Weltall-Ambiente.

Spuren des Lebens finden sich weder auf Venus noch Mars. Doch selbst auf der Erde deutet von der Internationalen Raumstation aus betrachtet bei Tag kaum etwas auf Leben hin – erst bei Nacht erstrahlt ein Netz aus leuchtenden Städten und Straßen. Und Spuren von Leben in der Erdatmosphäre fand.

Tatsächlich ist der erste messtechnische Nachweis von Leben auf einem Planeten aus dem Weltall erst geglückt, als die Esa-Sonde Juice im Herbst 2024 beim Vorbeiflug ihre Messinstrumente auf die Erdatmosphäre richtete und in der Erdatmosphäre Hinweise auf Leben nachwies. Zugegeben, für uns keine Überraschung – aber aus Lichtjahren Entfernung wäre dieser Befund so nicht möglich gewesen.

Spektroskopie in hunderten Lichtjahren Entfernung

Erst in den 1990er-Jahren wurden die ersten Planeten außerhalb des Sonnensystems entdeckt. Inzwischen kennen Astronomen fast 6.000 Exoplaneten. Nur rund 80 von ihnen – vornehmlich massive Gasriesen, die im Infrarotlicht sichtbare Wärmestrahlung aussenden – wurden direkt fotografiert. Den Rest entdeckten Planetenjäger nur indirekt und mit großer Raffinesse in den Untiefen der Milchstraße, über 70 Prozent davon mit der so genannten Transitmethode: Wenn ein Planet von uns aus gesehen vor seinem Stern vorbeizieht, blockiert er einen winzigen Teil des Sternenlichts. Im Extremfall scheint die Gesamthelligkeit des Sterns dabei um wenige hundertstel Prozent abzunehmen, und aus diesem schwachen Flackern lässt sich auf die Größe und Umlaufdauer des Planeten schließen. Die Methode funktioniert umso besser, je größer der Planet ist.

Diese indirekte Messung verrät jedoch nichts darüber, ob erdähnliche Gesteinsplaneten eine Atmosphäre besitzen, weil deren Atmosphäre viel zu dünn ist, um bei der Abschattung des Sternenlichts eine Rolle zu spielen – bei der Erde etwa trägt die Gasschicht nur weniger als ein Prozent zum Gesamtdurchmesser bei. Kreidberg und ihre Kollegen nutzen daher einen Trick. Scheint das Licht des dahinterliegenden Sterns durch die Gashülle des umlaufenden Planeten, trifft es dort auf Gasmoleküle und reagiert mit ihnen: Ob Wasserdampf, Methan oder Kohlendioxid – jedes Molekül hinterlässt im Sternenlicht-Spektrum charakteristische Spuren. Anhand dieser Fingerabdrücke versuchen die Astronomen, Rückschlüsse darauf zu ziehen, wie die Atmosphäre zusammengesetzt ist.

Das ultimative Auge im Weltall

Für die so genannte Transmissionsspektroskopie – also die Aufschlüsselung des Sternenlichts, das bei seiner Reise durch die Planetenatmosphäre verändert wurde – nutzen Kreidberg und ihr Team das James-Webb-Weltraumteleskop. „Es ist das fortschrittlichste wissenschaftliche Instrument, das je ins All gebracht wurde“, schwärmt Kreidberg. „Es wurde fast drei Jahrzehnte lang entwickelt, und ich habe das Glück, genau zur richtigen Zeit geboren worden zu sein, um damit arbeiten zu dürfen.“

Auch wenn das gemessene Signal schwach ist, finden sich Fingerabdrücke chemischer Elemente in Welten, die viele Lichtjahre entfernt liegen. „Wir treiben die Messgeräte an ihre Grenzen“, erklärt die Astronomin. Ehe Forschende sich an die Gesteinsplaneten heranwagen, lohnt sich ein Blick auf eine besondere Planetenklasse, die so genannten Sub-Neptune. Ihre Größe und Dichte liegt irgendwo zwischen Erde und Neptun. Was sie so wertvoll für die Spektroskopie macht: Viele dieser Art haben gewaltige Atmosphären, und je ausgedehnter die Atmosphäre, durch die das Sternenlicht dringt, desto stärker ist das Signal, das die Moleküle der Atmosphäre im Sternenlicht hinterlassen.

Hype um K2-18 b – warum auch dort wohl kein Leben zu finden ist

Ein Beispiel ist der Exoplanet K2-18 b, der einen Roten Zwergstern umkreist. Neben einer Menge Wasserstoff haben Astronomen auch Kohlenstoffdioxid und Methan in den Spektren des James-Webb-Teleskops aufgezeichnet. Wäre die Atmosphäre von K2-18 b bloß so dünn wie die der Erde, wäre es umso schwerer gewesen, die fragilen Spuren der Gase im Rauschen der Daten auszumachen – selbst, wenn sie existierten.

Im Jahr 2025 ging dann ein Aufschrei durch die Nachrichten: Mögliche Lebenszeichen entdeckt! Tatsächlich gab ein Forschungsteam an, in der Atmosphäre von K2-18 b möglicherweise Anzeichen für Moleküle gefunden zu haben, die hier auf der Erde nur pflanzliches Plankton produziert. Kreidberg mahnt zur Vorsicht: „Diese Behauptungen sind vollkommen haltlos.“

Gemeinsam mit vielen Kollegen versucht die Forscherin seither, diesen Hype auf den Boden der Tatsachen zurückzuholen. Denn die Daten sind viel zu verrauscht und die komplexen Moleküle statistisch nicht sicher nachweisbar – wenn sie überhaupt stabil sind. Denn je tiefer man in eine Atmosphäre eintaucht, desto mehr steigen Druck und Temperatur. Auf der tiefliegenden Oberfläche von K2-18 b könnte es daher tausend Mal so heiß sein wie auf der Erde. Das sind schlechte Voraussetzungen für DNA und Leben. „Dieser Planet hat definitiv kein Leben“, schreibt Kreidberg in einem Kommentar in Scientific American.

Man könnte den Eindruck bekommen, die Wissenschaft sei sich nicht einig, doch das Gegenteil ist der Fall. Kurz nachdem sich die Nachricht von angeblichen Lebenszeichen wie ein Lauffeuer zu verbreiten drohte, hielt die Forschungsgemeinschaft vehement dagegen.

Gleiche Daten, verschiedene Ergebnisse – auch das ist Wissenschaft

Der zweifelsfreie Nachweis von Lebensspuren auf fremden Planeten ist wohl Wunschdenken. Selbst wenn methodisch sauber gearbeitet wurde, bleibt Interpretationsspielraum. Bevor Astronomen aus den Messdaten Schlüsse ziehen, müssen sie diese mit Modellen abgleichen, die mathematisch beschreiben, wie sich das Sternenlicht beim Flug durch die Atmosphäre hindurch verändert, wenn diese sich verschiedentlich zusammensetzt. Je nachdem, welches Modell die Forschenden zugrunde legen, kann ein und derselbe Datensatz zu unterschiedlichen Schlüssen führen, erst recht bei so schwachen Signalen. Deshalb arbeiten in Heidelberg meist zwei Teams unabhängig an denselben Daten, jedes mit einem anderen Modellansatz. „Allgemein gilt es als gute Praxis, mindestens zwei unabhängige Analysen der Daten durchzuführen, um sicherzustellen, dass Schlussfolgerungen verlässlich sind“, sagt Kreidberg.

Die Herausforderung, auf diese immensen Distanzen eine Atmosphäre zu entdecken und zu untersuchen, ist gewaltig. Atmosphären sind hochdynamische Systeme, auf der Erde etwa beeinflussen sich Ozeane, Wolken, Pflanzen, Vulkane und Lebewesen gegenseitig, es gibt chemische Reaktionen, Schichtungen, Strömungen, Durchmischungen. Ein so komplexes System aus Hunderten bis Tausenden Lichtjahren Entfernung zu rekonstruieren, ist gewagt. Zumal wenn der Planet vielleicht gerade gar nicht vor, sondern hinter seinem Stern vorbeizieht, während James Webb auf ihn gerichtet ist. „Das ist das, was mich nachts wach hält“, gesteht Kreidberg, „die Sorge, dass wir zur falschen Zeit hinschauen.“ Hinzu kommt: Sollte es da draußen eine zweite Erde geben, die ihren Heimatstern im selben Abstand umkreist wie unsere Erde die Sonne, dann ist ihre Umlaufbahn höchstwahrscheinlich gerade nicht genau so geneigt, dass sie von uns aus gesehen exakt über den Stern führt – eine solche Konstellation tritt nur in fünf von tausend Fällen auf.

Vorauswahl der Atmosphärenforscher

Bevor man Zeit und Mühe investiert, mit James-Webb-Spektren nach Atmosphären zu suchen, deren Moleküle entweder selbst messbares Licht aussenden oder das durchscheinende Licht des dahinterliegenden Sterns prägen, lohnt sich ein Vorab-Check: Gibt es da überhaupt Hoffnung auf eine Atmosphäre? Um das im Voraus abzuklären, messen Kreidberg und ihr Team die Oberflächentemperatur von Gesteinsplaneten aus dem Helligkeitskontrast zwischen Planet und Stern. Die Forschenden konzentrieren sich dabei auf Planeten, die Rote Zwergsterne umkreisen.

Solche Systeme zu finden ist einfach. Denn dieser Sterntyp ist der häufigste und macht drei Viertel aller Sterne der Milchstraße aus. Außerdem sind Rote Zwerge kleiner und nicht so hell wie die Sonne, was es erleichtert, Planeten um diese Sterne zu vermessen. Und diese Zwergsterne sind vergleichsweise leicht, Gesteinsplaneten umkreisen sie in kürzerem Abstand als die Erde die Sonne. Die dabei wirkenden Gezeitenkräfte führen dazu, dass solche Planeten den Roten Zwergen häufig dieselbe Seite zeigen – wie der Mond der Erde –, und genau das hilft Kreidberg und ihrem Team bei der Suche nach einer Atmosphäre.

Die Planeten besitzen durch ihre gebundene Rotation eine heiße, ständig bestrahlte Tagseite und eine eiskalte, ewige Nachtseite. Je nachdem, wo sich diese Planeten auf ihrer Umlaufbahn befinden, sind von der Erde aus unterschiedliche Anteile der Tagseite zu sehen, vergleichbar mit den unterschiedlichen Phasen des Mondes.

Die Temperaturunterschiede zwischen diesen beiden Seiten nutzen die Forschenden als diagnostisches Werkzeug: Existiert eine Gashülle, sollte sie die Wärme auf der Planetenoberfläche verteilen, und der Temperaturunterschied zwischen Tag- und Nachtseite wäre gering – so wie bei der Venus. Zeigt sich die Tagseite hingegen extrem heiß und die Nachtseite eisig kalt, deutet das auf eine nackte Oberfläche ohne Atmosphäre hin. Und das ist der entscheidende Vorteil dieser Temperaturmethode, denn Transmissionsspektren des Sternenlichts sind nicht immer aussagekräftig – vor allem, wenn diese keine oder nur schwer messbare Signaturen in sich tragen. Das könnte daran liegen, dass es tatsächlich keine Atmosphäre gibt, Wolken in der fernen Atmosphäre das Signal abschirmen oder dass die Atmosphäre so kompakt ist, dass kaum Licht des dahinterliegenden Sterns auf dem Weg zu uns durch sie dringt.

Dünne Ausbeute bei dicken Atmosphären

Haben die Heidelberger um Kreidberg auf diese Weise endlich die ersten Spuren einer lebensfreundlichen Atmosphäre auf einer fernen Gesteinswelt entdeckt? „Leider haben wir schlechte Nachrichten“, sagt die Astronomin. „Keiner der Gesteinsplaneten, die wir seit 2024 untersucht haben, scheint eine Atmosphäre zu besitzen – eine dicke Atmosphäre, um genau zu sein.“ Dicke Atmosphären wie die der Venus üben einen vergleichsweise hohen Druck auf die Planetenoberfläche aus und sind mit der Temperaturmethode leicht zu finden. Aber was bedeutet das für die Erde? Wie einzigartig ist sie?

Kreidberg formuliert vorsichtig: „Es ist zu früh, um zu sagen, dass die Erde besonders ist. Aber die Venus ist es.“ Dieser Befund klingt zunächst enttäuschend. Jedoch haben Kreidberg und ihre Mitstreitenden bisher nur rund zehn Planeten im Detail analysiert. Es ist eine sehr kleine Stichprobe inmitten der Milliarden Planetensysteme, die es in der Milchstraße geben muss, und damit kein Argument gegen eine zweite Erde. „Nach dem, was wir bisher gesehen haben, halte ich es für das wahrscheinlichste Szenario, dass zumindest dicke Atmosphären einfach selten sind“, interpretiert die Astronomin. Und es liegt im Rahmen des Möglichen, dass die Gesteinswelten, die sie mit James Webb bisher in den Fokus genommen hat, heiß und dem Weltall ungeschützt ausgeliefert sind.

Die Erde: eine Folge glücklicher Zufälle

Vielleicht ist die geringe Anzahl an Planeten, die bisher untersucht wurden, schlicht eine besonders ungünstige Stichprobe gewesen. Möglicherweise braucht es einen ruhigeren Stern wie die Sonne, damit sich um die Gesteinsplaneten eine stabile Hülle bildet. Solche Sterne sind seltener und machen nur etwa 20 Prozent in der Milchstraße aus. Ein sonnenähnlicher Stern allein dürfte aber nicht reichen. Die Erdatmosphäre könnte auch Ergebnis weiterer kosmischer Zufälle sein: Die Erde ist weder zu groß noch zu klein, weder zu heiß noch zu kalt, sie besitzt ein Magnetfeld, das die Gashülle ausreichend vor starken Sonnenstürmen schützt, die auch die Sonne regelmäßig abstrahlt; die Erde hat einen Mond, der für stabile Achsenneigung und Gezeiten sorgt, Ozeane, die CO₂ speichern, eine tektonisch aktive Kruste, die Gase zirkulieren lässt, und hat Jupiter in der Nachbarschaft, der mögliche Killer-Asteroiden vom Kurs ins innere Sonnensystem ablenkt.

„Was die Erdatmosphäre hat entstehen und bestehen lassen, hat die Wissenschaft noch längst nicht verstanden“, sagt Kreidberg. „Der Blick auf andere Planeten und wie sich dort Atmosphären bilden oder nicht, wie sie verschwinden oder bleiben, kann auch hier zur Klärung beitragen.“ Die Suche nach Gesteinsplaneten mit Atmosphäre ist kein simpler Blick durch ein Fernrohr, es ist ein mühevolles Messen am Rande der technischen Möglichkeiten, eine Spurensuche im Rauschen eines Datenozeans, ein Spiel mit Wahrscheinlichkeiten und Modellen. Jeder Hinweis, den Wissenschaftler aus den Tiefen des Alls bergen, bringt sie näher an die Antwort auf eine der grundlegendsten Fragen, die sich Menschen stellen können: Sind wir allein?

Weiterführende Literatur: L. Kreidberg, & K.B. Stevenson: A first look at rocky exoplanets with JWST, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (39); DOI:10.1073/pnas.2416190122 (2025).

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