„Auf der Suche nach Biosignaturen“

In der chilenischen Atacamawüste entsteht das Extremely Large Telescope oder kurz ELT der Europäischen Südsternwarte. Mit einem Spiegeldurchmesser von knapp vierzig Metern wird das ELT das größte Teleskop der Welt für den optischen und infraroten Spektralbereich sein. Im Rahmen der Verbundforschung entwickeln Forscher den Spektrografen HIRES – eines der fünf geplanten Hauptinstrumente des Teleskops. Im Interview erklärt Klaus Strassmeier vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam, wie Forscher damit unter anderem nach Lebensspuren in der Atmosphäre ferner Planeten suchen wollen.

Welt der Physik: Die neueste Generation von Teleskopen wird es erstmals in der Geschichte der Astronomie möglich machen, Spuren fremder Lebewesen direkt nachzuweisen. Warum benötigt man dazu einen Spektrografen?

Klaus Strassmeier: Die Suche nach Biosignaturen gehört zu den spannendsten Gebieten der heutigen astronomischen Forschung. Doch wir können die Planeten nicht direkt beobachten – dafür sind sie zu klein, zu weit weg und zu nahe am Stern. Dadurch werden sie völlig überstrahlt. Es gibt mehrere Wege, die Planeten dennoch zu untersuchen – beispielsweise mit Instrumenten wie HIRES, an dem wir gerade in einem großen internationalen Verbundprojekt arbeiten. Bei HIRES handelt es sich um einen hochauflösenden Spektrografen, der Licht fein säuberlich in möglichst kleine Wellenlängenbereiche zerlegt. Rechnet man die Wellenlänge in einen Abstand um, entspricht die Auflösung von HIRES etwa dem Hundertstel eines Atomdurchmessers. Mit HIRES können wir das gemeinsame Lichtspektrum eines Exoplaneten und seines Sterns aufnehmen. Dann isolieren wir das Licht des Planeten und können es analysieren.

Planeten selbst leuchten ja nicht – wie lassen sich die Atmosphären dennoch untersuchen?

Im Wesentlichen gibt es drei Möglichkeiten: Einmal kann man das reflektierte Licht untersuchen, wenn der Planet seitlich von seinem Stern angestrahlt wird – wie alle Planeten in unserem Sonnensystem. Findet man beispielsweise Methan und Sauerstoff in nennenswerter Konzentration, deutet das auf die Existenz von Leben hin. Die beiden Stoffe können zwar auch ohne Lebensformen in einer Atmosphäre vorliegen, doch sie würden miteinander reagieren und sich eliminieren. Wenn man sowohl Methan als auch Sauerstoff bei einem Exoplaneten findet, muss Methan also beständig nachgeliefert werden. Nach heutigem Wissensstand können das nur biologische Prozesse bewirken.

Exoplaneten um Trappist-1

Welche weiteren Methoden möchten Sie auf der Suche nach solchen Biosignaturen nutzen?

Die zweite Möglichkeit bei der Suche nach Lebensformen besteht darin, ein sogenanntes Transmissionsspektrum aufzunehmen, wenn der Planet direkt vor seinem Stern vorbeizieht und das Sternenlicht seine Atmosphäre sozusagen durchleuchtet. Damit können wir auf die chemischen Elemente in der Planetenatmosphäre rückschließen und untersuchen, ob sich darin relevante organische Moleküle befinden. Bei mehreren Exoplaneten ließ sich auf diese Weise bereits Wasser nachweisen. Mit der dritten Methode suchen wir im Spektrum nach polarisiertem Licht. Die Proteine der Lebensformen auf der Erde liegen alle entweder in links- oder rechtshändig verdrehter – sogenannter chiraler – Gestalt vor. Und der pflanzliche Farbstoff Chlorophyll reflektiert und absorbiert das Sonnenlicht nur bei einer bestimmten zirkularen Polarisation. Wenn man eine ähnlich polarisierte Absorption in Molekülbanden in den Atmosphären von fremden Planeten findet, wäre das nach heutigem Verständnis ein direkter Hinweis auf Pflanzen und damit auf Leben.

Welche Herausforderungen gilt es noch zu meistern, bevor Sie mit den Beobachtungen starten können?

Viele. Ein Problem liegt darin, dass das Licht des Sterns mindestens 100 000-fach stärker ist als das des Planeten. Deshalb ist das ELT auch so groß: Mit einem kleineren Teleskop hätte man auch bei langer Beobachtungszeit keine Chance, die gewünschten Signaturen zu entdecken. Prinzipiell ist die Technik, die wir für HIRES einsetzen wollen, schon bei anderen Teleskopen erprobt. Aber bei einem solchen Riesenteleskop – das eine zehnfach größere Spiegelfläche als der bisherige Spitzenreiter hat – müssen auch alle Komponenten eines Spektrografen neu dimensioniert werden.

Wie unterscheidet sich HIRES denn von anderen Spektrografen?

Ein Beispiel: Das Licht vom Hauptspiegel gelangt üblicherweise über eine Glasfaserleitung zu den Spektrografen. Beim ELT ist es aber nicht nur eine Faser, sondern ein Bündel aus 96 Fasern, über die das Licht schließlich zu HIRES läuft. Dort haben wir zwei Hauptspektrografen, die jeweils wieder vier Unterspektrografen beinhalten. Damit können wir den Wellenlängenbereich vom nahen Infrarot bis in den blauen Teil des sichtbaren Lichts komplett und auch gleichzeitig abdecken.

Wie weit sind die Arbeiten an HIRES vorangeschritten?

Die Planung und wissenschaftliche Konzeption sind schon gut vorangekommen, ab 2019 geht es an die Entwicklung von Prototypen für die Hauptkomponenten. Ein Problem, um das wir uns noch kümmern müssen, ist das Herz des Spektrografen – das sogenannte Echelle-Gitter. Es handelt sich um einen hochstabilen beschichteten Glasblock, auf dem extrem präzise winzige Rillen angeordnet sind. Trifft das Licht vom Teleskop auf diese Rillen, wird es in seine einzelnen Bestandteile zerlegt. Die beiden Echelle-Gitter für HIRES müssen deutlich größer sein als alle bisherigen: je 1,6 Meter lang und 20 Zentimeter breit. Noch gibt es aber weltweit keine Firma, die so große und präzise gefertigte Gitter in einem Stück herstellen kann. Dieses Problem wird aber bald gelöst sein.

Welche Aufgaben übernehmen Sie bei dem Verbundprojekt?

Wir in Potsdam sind für das Polarimeter sowie für Teile der Faserkopplung verantwortlich. Neben dem Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam gehören auch die Universitäten Göttingen, Heidelberg und Hamburg sowie die Thüringer Landessternwarte in Tautenburg zu den Verbundpartnern. Die Göttinger werden sich um die Kalibrationseinheit des Spektrografen kümmern. Die Aufgaben der anderen Institute sind zum Teil noch in Verhandlung und werden sicher auch die Softwareentwicklung für den Betrieb und die Datenanalyse beinhalten.

Welche Objekte würden Sie gerne als Erstes untersuchen, wenn das ELT voraussichtlich 2024 in Betrieb gehen wird?

Das Sternensystem Trappist-1 mit seinen potenziell habitablen Planeten steht sicher nicht nur auf meiner Favoritenliste ganz weit vorne. Man sollte jedoch nicht vergessen: Bis das ELT sein erstes Licht sieht, wird beispielsweise das James-Webb-Weltraumteleskop schon einige Jahre in Betrieb sein. Die interessantesten Ziele kennen wir möglicherweise heute noch gar nicht. Mit HIRES wollen wir aber nicht nur Exoplaneten untersuchen. Es gibt eine Vielzahl von wissenschaftlichen Fragestellungen – von der Entwicklung junger Sternsysteme bis hin zu einem besseren Verständnis von Sternen, Galaxien und dem interstellaren Medium –, zu denen wir uns entscheidende Beiträge von HIRES erhoffen. Ein wichtiges Ziel ist auch die Messung fundamentaler Naturkonstanten. Dazu gehört etwa das Verhältnis von Elektron- zu Protonmasse im jungen Universum oder die Feinstrukturkonstante, die die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung angibt. Mit HIRES wird das möglich sein. So erfahren wir dann vielleicht auch ein wenig mehr über die mysteriöse Dunkle Energie, die die Expansion des Universums antreibt.