Bei der Erforschung des Universums kommen immer leistungsstärkere Teleskope zum Einsatz. Einige von ihnen werden zudem für die Suche nach extraterrestrischem Leben oder Bausteinen für die Entstehung von Leben eingesetzt. 

Bis 2030 werden einige der extra großen optischen Teleskope der nächsten Generation ihren Betrieb aufnehmen. Ob sie bei der Suche nach außerirdischen Spuren helfen können? Mit dieser Frage hat sich ein Forschungsteam der Ohio State University beschäftigt. Ihren Fokus legten sie dabei auf das Extremely Large Telescope (ELT) der europäischen Südsternwarte Eso (European Southern Observatory). 

Künstlerische Grafik, die zeigt, wie das Extremely Large Telescope einmal im Nachtbetrieb aussehen könnte. Vier Laser werden benötigt, um die Bewegungen der Atmosphäre zu messen, die dann am Computer wieder ausgeglichen werden. Das Spiegelteleskop mit einem gesamten Spiegeldurchmesser von 39 Metern wird das größte seiner Art sein. Bildrechte: European Southern Observatory

Dieses befindet sich noch im Bau und soll voraussichtlich im Jahr 2027 in Betrieb genommen werden. Sein Hauptspiegel wird aus 798 sechseckigen Spiegelelementen bestehen, die zusammen einen Durchmesser von 39 Metern bilden. Errichtet wird es in einer Höhe von 3.046 Metern Höhe auf dem Cerro Armazones in der chilenischen Atacama-Wüste. 

Bei der Suche nach Aliens suchen Astronomen mit den Teleskopen vor allem potenzielle Biosignaturen wie molekularen Sauerstoff, Kohlendioxid, Methan und Wasser. Diese Moleküle sollen durch die direkte Bildgebung im mittleren und nahen Infrarotbereich sichtbar werden. Zwei Instrumente dafür wurden in einer Simulation getestet. Das Team hat sie auf zehn reale Exoplaneten angesetzt, die nahe rote Zwergsterne umkreisen. 

Bereits heute können einige Teleskope Hinweise auf mögliches Leben bei Exoplaneten liefern. Dafür untersuchen sie neben ihren Haupteigenschaften wie Masse, Radius und Umlaufzeit auch die Atmosphäre der fremden Welten. Das Weltraumteleskop James Webb (JWST) ist nur einer dieser dafür konzipierten Maschinen.

Das James-Webb-Weltraumteleskop Bildrechte: Adriana Manrique Gutierrez, NASA Animator

Um Biosignaturen zu finden, bedient sich JWST der Transitspektroskopie. Wenn ein Planet seinen Stern aus der Perspektive des Teleskops durchquert, wird ein Teil des Lichts des Sterns durch die Atmosphäre des Planeten gefiltert. Alle atmosphärischen Moleküle in dieser Atmosphäre können das Sternenlicht bei bestimmten Wellenlängen absorbieren. Jede Wellenlänge spiegelt dabei die Signatur eines bestimmten Moleküls wider. Auf diese Weise kann der atmosphärische Aufbau eines weit entfernten Planeten bestimmt werden.

Der Nachteil dieser Methode ist, dass sich die meisten Planeten in einer nahen Umlaufbahn um ihren Stern befinden müssen, damit man sie entdeckt. Wenn wir von oben auf den Stern schauen, sehen wir womöglich gar keinen Exoplaneten – auch wenn sie da sind. Sie passieren den Stern zwar, doch aufgrund der Neigung ihrer Umlaufbahn aus unserem Blickwinkel bleibt das Objekt für uns unsichtbar.  

Die Spektraldaten der Kometen 238P/Read (weiß) und 109 P/Hartley 2 (hellblau), erfasst vom Weltraumteleskop James Webb. Bildrechte: NASA, ESA

Die direkte Abbildung eines Exoplaneten ist zwar schwer, doch so wurden bereits Dutzende Exoplaneten erfasst. Durchweg junge, große Welten, die noch heiß von ihren Entstehungsprozessen sind. Sie leuchten daher hell im Infrarotlicht und stehen in großem Winkelabstand zu ihrem Mutterstern – aber wir können keine Details auf diesen Welten erkennen. 

Diese Exoplaneten sind für uns lediglich ein Lichtpunkt in der Ferne. Zwar befinden sich in ihren Lichtmustern Absorptionslinien, die mit atmosphärischen Molekülen zusammenhängen. Jedoch benötigt es riesengroße Teleskope, um ein ausreichend hohes Signal-Rausch-Verhältnis zwischen dem Licht des Planeten und den Hintergrunddaten zu erhalten. Instrumente wie die Harmoni- oder Metis-Spektographen könnten da Abhilfe schaffen. 

"Nicht jeder Planet eignet sich für die direkte Abbildung", erklärt Huihao Zhang in einer Pressemitteilung (Hauptautor der Studie und Student an der Ohio State University). Mit der Simulation des astronomischen Forschungsteams liefert das Team eine ungefähre Vorstellung von dem Können der Infrarot-Spektrografen von ELT. 

Besonders bei Proxima Centauri b und GJ 887 b wären die Instrumente hervorragend in der Lage, das Vorhandensein potenzieller Biosignaturen zu erkennen. Bei Proxima Centauri b könnten sie sogar Kohlendioxid erkennen. Wenn es um das Erkennen von Methan, Kohlendioxid und Wasser ging, schnitt das Metis-Instrument bei drei Planeten (GJ 887 b, Proxima b und Wolf 1061 c) sogar besser als das Harmoni-Instrument ab. Dieses benötigt in der Simulation für den Nachweis sehr viel mehr Belichtungszeit. 

Die bodengestützten Instrumente wurden zudem mit denen vom JWST verglichen. "Es ist schwer zu sagen, ob Weltraumteleskope besser sind als bodengebundene Teleskope, weil sie anders sind. Sie haben andere Umgebungen, andere Standorte und ihre Beobachtungen haben andere Einflüsse", sagt Zhang. 

Bei transitierenden Planeten, wie das Trappist-1-System, ist James-Webb-Teleskop zur Untersuchung der Planetenatmosphären besser geeignet als die direkte Abbildung auf der Erde. Für die Erforschung von GJ 887 b war wiederum ELT im Vorteil. Simulationen können bei der Verbesserung und Produktion der Hardware für solche Aufgaben hilfreich sein, betont das Team. Besonders, weil es noch einige Jahre dauern wird, bis diese Riesenteleskope ihren vollen Betrieb aufnehmen.

Für die Erforschung des Weltalls entstehen neben dem ELT noch weitere bodengebundene Teleskope der nächsten Generation innerhalb dieses Jahrzehnts. Dazu gehören unter anderem das Thirty Meter Telescope (TMT) und das Giant Magellan Telescope (GMT). In ihnen sieht das Team großes Potenzial. 

Computergrafik des geplanten Giant Magellan Telescope in Chile. Bildrechte: Giant Magellan Telescope – GMTO Corporation

Das GMT soll im Jahr 2029 im Hochland von Chile als Teil des Las-Campanas-Observatorium fertiggestellt werden. Sein Spiegeldurchmesser soll 21,40 Meter an Fläche betragen. Das TMT wird auch dem hawaiianischen Vulkan Mauna Kea in einer Höhe von etwa 4.205 Metern errichtet – dem höchsten Berg des US-Bundesstaates. Sein Spiegeldurchmesser beträgt 30 Meter und besteht aus 492 Segmenten. Durch Proteste der polynesischen Ureinwohner ist unklar, wann das TMT-Teleskop seinen Betrieb beginnen wird.

Computergrafik des Dreißig-Meter-Teleskops auf seinem alternativen Standort auf der Kanareninsel La Palma. Bildrechte: TMT International Observatory

Zugleich ließ das Team das Vera C. Rubin Teleskop in der Simulation allerdings aus. Aus Sicht von Fachkollegen unverständlich, denn von Vera C. Rubin (Fachname Large Synoptic Survey Telescope, LSSW) erhoffen sich einige Astronomen eine wahre Revolution in der Beobachtung des Weltraums. Es wird im nördlichen Chile auf dem 2.682 Meter hohen El-Peñón-Gipfel des Cerro Pachón gebaut.

Stand der Bauarbeiten zum Teleskop LLST/Vera Rubin in Chile im Februar 2020 Bildrechte: LSST Project/NSF/AURA

Es soll nach der Fertigstellung (vermutlich im Frühjahr 2025) die weltweit größte Digitalkamera enthalten. Mit ihr können Bilder vom nahen Ultraviolett- bis zum nahen Infrarotbereich aufgenommen werden. Die Zukunft der Astronomie kann uns damit auf viele neue Erkenntnisse bringen.