Leben – aber nicht so, wie wir es kennen

Nach einer Reihe von missglückten Missionen gab es im Juli 1965 die ersten erfolgreichen Vorbeiflüge am Mars. Die US-Sonde Mariner 4 war die erste Raumsonde, die Nahaufnahmen von einem anderen Planeten machte und 22 Bilder der vom Einschlag zerkratzten Marsoberfläche zur Erde zurückschickte. Seitdem haben mehr als 20 erfolgreiche Missionen die Atmosphäre und Oberfläche der roten Pflanze erforscht.

Dank der Bilder und Daten, die von Teleskopen auf der Erde und im Weltraum gesammelt wurden, wissen wir heute, dass der Mars vor Milliarden von Jahren die drei entscheidenden Voraussetzungen für Leben besaß. Er verfügte über eine Fülle von chemischen Bausteinen, flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche und eine Energiequelle (vulkanische Aktivität), die die chemischen Reaktionen antreibt, die Leben ermöglichen (auf der Erde ist diese Energiequelle die Sonne). Heute gilt die unwirtliche Oberfläche des Mars als ungeeignet für Leben, aber die Möglichkeit, dass tief unter der gefrorenen Oberfläche Leben existiert, ist nicht auszuschließen. Bis heute wurden jedoch keine Beweise für Leben – ob alt oder nicht – gefunden. Dass der Mars bewohnbar ist, bedeutet nicht, dass er tatsächlich einen Lebensraum hat.

Die Suche nach Leben auf dem Mars geht weiter, und in den nächsten Jahren sind drei weitere Missionen zum Mars geplant. Längerfristig wollen mehrere Raumfahrtagenturen auch Proben vom Mars sammeln und für eine gründlichere Analyse zur Erde zurückbringen. Und die Suche nach Anzeichen für außerirdisches Leben erstreckt sich bis in die Tiefen unseres Sonnensystems und darüber hinaus.

Europa

Der Gasriese Jupiter, der nächste Planet im Sonnensystem nach dem Mars, ist für Leben in jeder derzeit vorstellbaren Form unwirtlich. Aber seine eisigen Monde – insbesondere Europa – haben Potenzial. Eine Reihe von Missionen sind auf ihrem Weg zu anderen Orten an Jupiter und seinen Monden vorbeigeflogen, aber die Galileo-Mission der Nasa war die erste, die speziell für die Umkreisung des Planeten und die Untersuchung seiner Monde konzipiert wurde. Sie sammelte von 1995 bis 2003 Bilder und Daten im Jupitersystem und passierte Europa 12 Mal.

Die von der Raumsonde gesammelten Bilder und Daten deuten darauf hin, dass Europa einen schichtweisen Aufbau wie die Erde hat: einen eisenhaltigen Kern, einen felsigen Mantel und eine Eiskruste. Magnetfeldmessungen ergaben, dass im Inneren elektrische Ströme fließen, was auf einen salzigen, flüssigen Ozean unter der dicken Eiskruste, die den ganzen Planeten umgibt, schließen lässt. Fotos der gleichen Mission, die riesige Risse im Eis zeigen, stützen diese Idee.

Europas Oberfläche ähnelt dem Meereis der Antarktis, erklärt François Poulet vom Institut für Weltraum-Astrophysik an der Université Paris-Sud in Frankreich: „Das deutet darauf hin, dass das Eis geologisch gesehen ziemlich jung ist, und es könnte ein Beweis für seine Wechselwirkung mit einem Reservoir von flüssigem Wasser sein. Im Dezember 2012 entdeckte das Hubble-Weltraumteleskop ebenfalls Wasserdampf über dem Südpol von Europa, und es wurde vermutet, dass dieser von ausbrechenden Wasserfahnen stammt. Die Raumsonde hat diese Wasserfahnen jedoch noch nicht gesehen, so dass sie, falls sie existieren, nur sporadisch auftreten.

Europa hat also wahrscheinlich Wasser. Aber was ist mit den beiden anderen notwendigen Komponenten, um bewohnbar zu sein? Europa hat eine Quelle für Wärmeenergie, die durch die Reibung entsteht, wenn es in den verschiedenen Phasen seiner elliptischen Umlaufbahn unterschiedlich stark in das Gravitationsfeld des Jupiters gezogen wird. Außerdem gibt es in der Umgebung des Jupiters reichlich Strahlung, die chemische Reaktionen auslösen kann (die stark genug ist, um jede organische Verbindung, die sich bildet, sehr schnell zu zerstören). Ob der Jupiter über die richtigen chemischen Grundstoffe verfügt, ist jedoch noch nicht bekannt. Modellrechnungen deuten darauf hin, dass dies der Fall sein könnte, aber es werden noch weitere Daten benötigt.

Im Jahr 2022 planen sowohl die Europäische Weltraumorganisation (ESA) als auch die Nasa den Start von Raumfahrzeugen, die Europa aus nächster Nähe betrachten sollen. Die ESA-Sonde Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) wird über sieben Jahre brauchen, um das Jupitersystem zu erreichen. Wir werden Ende 2029 ankommen und 2030 den Betrieb aufnehmen“, sagt Poulet, Mitglied des Teams, das das sichtbare und infrarote Spektrometer Majis (Moons and Jupiter Imaging Spectrometer) an Bord entwickelt. Das Hauptziel der Juice-Mission ist Ganymed, ein weiterer Jupitermond, aber auch Europa wird zweimal überflogen. Majis wird die Oberflächenbeschaffenheit dieses Mondes charakterisieren und – zusammen mit dem UV-Spektrometer an Bord – die Zusammensetzung der sehr dünnen Atmosphäre von Europa bestimmen. Andere Kameras und Spektrometer werden ebenfalls dazu beitragen, das Innere und die Kruste dieser eisigen Welt besser zu verstehen.

Für die Europa-Clipper-Mission der Nasa ist Europa der Star der Show. Die naheliegendste Mission wäre es, Europa einige Jahre lang zu umkreisen, aber jedes Raumschiff, das dies tun würde, wäre der lebensverkürzenden Strahlung des Jupiters ausgesetzt. Stattdessen wird Europa clipper den Jupiter umkreisen und dabei immer wieder in seinen Strahlungsgürtel eintauchen. Im Laufe von dreieinhalb Jahren wird er mindestens 45 nahe Vorbeiflüge an Europa durchführen. Eine Mischung aus Kameras und Spektrometern wird den Mond und seine dünne Atmosphäre untersuchen. Wenn die Wasserfahnen über dem Südpol tatsächlich existieren, wird er auch durch diese hindurchfliegen und so die chemische Zusammensetzung des Mondozeans direkt messen können. Wenn der Europa Clipper 2022 startet, gibt es zwei mögliche Ankunftszeiten: 2025, wenn das neue Space Launch System (SLS) der Nasa, das sich derzeit in der Entwicklung befindet, zum Einsatz kommt, oder im Januar 2030, wenn eine herkömmliche Rakete verwendet wird.

Enceladus

Die Monde des Jupiter-Nachbarn Saturn sind ebenfalls Top-Ziele bei der Suche nach außerirdischem Leben, insbesondere Enceladus und Titan. Cassini erreichte das Saturnsystem im Jahr 2001 und führte 23 Vorbeiflüge an Enceladus und 127 an Titan durch, bevor die Mission im September 2017 endete.

Der erste Vorbeiflug an Enceladus ließ vermuten, dass es sich nicht um den luftlosen Eiskörper handelt, von dem man zuvor ausgegangen war, erklärt Cassini-Projektwissenschaftlerin Linda Spilker. Also ging Cassini näher heran, und dann noch näher. Beim dritten Vorbeiflug entdeckten wir im thermischen Infrarot einen heißen Südpol und sahen aus nächster Nähe die vier Tigerstreifen-Brüche“, sagt sie. Die Tigerstreifenmarkierungen in der Nähe des Südpols sind 200°C wärmer als der Rest des Mondes. Man nimmt an, dass sich Enceladus wie Europa durch die Reibung der Schwerkraft des Saturns von innen nach außen aufheizt.

Bei diesem dritten Vorbeiflug wurden auch Hinweise auf eine Materialfahne gefunden, die aus den Streifen austritt. Das machte uns natürlich noch neugieriger auf Enceladus“, sagt Spilker. Bei einigen der folgenden 20 Vorbeiflüge flogen wir direkt durch die Materialfahne und nahmen Proben von den darin enthaltenen Gasen und Partikeln. Dabei fanden wir Wasserdampf, ein Salzreservoir und organische Stoffe.‘

Das Ionen- und Neutralmassenspektrometer an Bord von Cassini wies organische Moleküle in den Plumes nach, sowohl in den Gasen als auch in den Partikeln darin, und zwar bis an die Grenzen des Instruments. Sie konnten bis zu 100 atomare Masseneinheiten nachweisen. Es gibt Gruppen von C2 bis C6 und möglicherweise darüber hinaus“, erklärt Spilker.

Wir fanden Wasserdampf, ein Salzreservoir und organische Stoffe aus den polaren Jets von Enceladus

Obgleich es „sehr aufregend war, diese organischen Stoffe zu finden“, könne man noch nicht sagen, ob sie von Lebewesen gebildet wurden oder nicht, erklärt sie. Wir müssen mit leistungsfähigeren Massenspektrometern zurückkehren, die einen viel größeren Bereich abdecken und nach großkettigen Ausgangsmolekülen wie Aminosäuren und Fettsäuren suchen können.‘

Weitere aufregende Ergebnisse in den Daten der Abluftfahne waren der Überschuss an Wasserstoff und die Entdeckung winziger Körner von Nanokieselsäure, die sich nur in sehr heißem Wasser bilden kann. Diese beiden Informationen weisen auf hydrothermale Schlote am Meeresboden von Enceladus hin“, sagt Spilker. Hydrothermale Schlote bilden sich an Stellen, an denen Meerwasser auf Magma trifft. Das Wasser dringt durch Risse in den Kern ein, wird erhitzt und tritt dann mit Kraft wieder aus.

Auf der Erde wimmelt es in den hydrothermalen Schloten von Organismen, die sonst nirgendwo zu sehen sind. Diese Mikroben beziehen ihre Energie aus den Nährstoffen der mineralhaltigen Flüssigkeiten, die aus dem Erdkern aufsteigen. Es wird angenommen, dass sie die einzigen Organismen auf der Erde sind, die ihre Energie nicht von der Sonne beziehen. Hydrothermale Schlote auf Enceladus und anderen Planeten sind daher potenzielle Orte für Leben.

Es wird angenommen, dass Enceladus, wie Europa, einen globalen Ozean unter seiner eisigen Oberfläche hat. Eine Studie von 10 Jahren Cassini-Daten, die die Vibrationen des Mondes untersuchte, ergab, dass der Kern und die Kruste nicht fest miteinander verbunden sind. Eine Möglichkeit, sie zu entkoppeln, ist ein globaler Ozean aus flüssigem Wasser“, sagt Spilker. Es gibt jetzt Schätzungen, dass dieser globale Ozean auf Enceladus Hunderte von Millionen bis sogar Milliarden von Jahren alt sein könnte – er könnte sogar schon seit der Entstehung von Enceladus bestehen. Das ist aufregend, denn es bedeutet, dass es in einem riesigen Wasserkörper eine enorme Zeitspanne gab, in der sich möglicherweise Leben bilden konnte“, erklärt sie.

Die von Cassini gesammelten Daten zeigen, dass Enceladus die drei für Leben notwendigen Bestandteile aufweist, aber es wurden noch keine Beweise dafür gefunden, dass tatsächlich Leben vorhanden ist. Teleskope, erklärt Spilker, sind für die Erkundung dieses Mondes nicht geeignet: „Enceladus ist sehr klein, und er ist sehr nah am Saturn, so dass er von der Erde aus nur schwer zu entdecken ist. Und aus diesem Grund ist eine weitere Mission hier wünschenswert, erklärt sie.

Titan

Cassini war nicht die erste Raumsonde, die die Saturnmonde besuchte. Voyager 1 besuchte die Region im Jahr 1980. Als die Forscher nach der Entdeckung der Enceladus-Fahnen durch Cassini einige dieser alten Bilder neu bearbeiteten, stellten sie fest, dass die Jets bereits 25 Jahre zuvor mit der Kamera aufgenommen worden waren.

Das Hauptziel der Voyager-Mission der Nasa war jedoch Titan. Im Jahr 1944 entdeckten Astronomen mit Hilfe von Teleskopen, dass dieser Mond eine dichte, methanhaltige Atmosphäre besitzt. Die von der Raumsonde Voyager gesammelten Daten zeigten dann, dass es sich hauptsächlich um Stickstoff, einige Prozent Methan und kleinere Mengen an Kohlenwasserstoffen wie Ethan, Propan und Acetylen handelte. Mitte der 1990er Jahre hatten wir Messungen des Infrarot-Weltraumobservatoriums, die uns halfen, einige komplexere Moleküle zu finden“, erklärt Sarah Hörst, Atmosphärenchemikerin an der Johns Hopkins University in Baltimore, USA. Benzol war das schwerste Molekül, das wir vor Cassini kannten“, fügt sie hinzu.

Die Chemie auf Titan wird sehr schnell sehr kompliziert

„Als Cassini dort ankam und anfing, die Atmosphäre zu vermessen, fand Cassini nicht nur Dinge mit einer Masse von 78 wie Benzol, sondern stellte fest, dass es an der Spitze der Titanatmosphäre Ionen gibt, die eine Masse von mehr als 10.000 haben“, sagt Hörst. Die Instrumente an Bord von Cassini – und der Huygens-Sonde, die im Januar 2005 auf Titan landete – konnten diese Ionen nicht identifizieren, sondern nur bestätigen, dass sie existieren. Diese Moleküle entstehen, wenn Stickstoff und Methan an der Außenseite der Atmosphäre durch ultraviolettes Licht und Strahlung aufgespalten werden und sich dann auf verschiedenste Weise rekombinieren. Die Chemie wird auf Titan sehr schnell sehr kompliziert“, erklärt Ralph Lorenz, ebenfalls von der Johns Hopkins University. Hörst stimmt dem zu: „Eines der wichtigsten Dinge, die Cassini uns über Titan gezeigt hat, ist, dass die Chemie noch komplizierter ist, als wir dachten, bevor wir dort ankamen.“

Titan hat vermutlich auch einen Ozean aus flüssigem Wasser unter seiner eisigen Oberfläche. Die Eiskruste ist auf Titan wahrscheinlich viel dicker als auf Europa und Enceladus“, sagt Hörst. Wie bei den anderen Monden mit unterirdischen Ozeanen wird auch hier vermutet, dass dort Leben existieren könnte. Aber das ist nicht die einzige Umgebung auf dem Titan, in der sich möglicherweise Leben bilden könnte.

Titan hat Seen an seinen Polen. Er ist der einzige Ort außer der Erde, von dem bekannt ist, dass er eine Flüssigkeit auf seiner Oberfläche hat. Aber bei einer Oberflächentemperatur von -180°C können diese kein Wasser enthalten. Die Cassini-Mission hat festgestellt, dass sie mit superkaltem Ethan und Methan gefüllt sind, die auf der Erde Gase sind. Auf Titan graben diese flüssigen Kohlenwasserstoffe Flusstäler, bilden Wolken und fallen als Regen. Aber könnten sie auch als Lösungsmittel für Leben dienen?

‚Wenn es Organismen auf der Oberfläche gibt, müssten sie eine ganz andere Chemie verwenden als wir‘, erklärt Hörst. Sie könnte immer noch auf Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff basieren.

Organische Materie fällt ständig aus der Atmosphäre

‚Wir verstehen nicht wirklich die ganze Bandbreite der chemischen Möglichkeiten in einem unpolaren Lösungsmittel wie flüssigem Methan‘, erklärt Lorenz. ‚Es wurde spekuliert, dass es möglich sein könnte, mit Acrylnitril Membranen zu bilden. Die Idee ist, dass diese Art der Anordnung als Azotosom bezeichnet wird, ein Analogon zum Liposom in der konventionellen biologischen Chemie“. Die methanliebenden und methanhassenden Enden der Moleküle könnten es dem Acrylnitril ermöglichen, sich in einem kugelförmigen Vesikel anzuordnen, das in der Lage ist, eine Gruppe von Chemikalien von einer anderen zu isolieren.

‚Wir kennen einige Möglichkeiten für die Funktionen, die die Acrylnitrilchemie erfüllen muss, um schließlich lebendig zu werden, aber wir wissen nicht, wie alle Schritte ausgeführt werden könnten. Wir wissen natürlich auch nicht, wie all diese Schritte in Wasser ablaufen könnten“, sagt Lorenz. Das sind also zwei verschiedene Umgebungen, in denen wir auf dem Titan nach Leben suchen müssen. Wir können nach Leben suchen, wie wir es kennen, aber auch nach Leben, wie wir es nicht kennen, was die Dinge verkompliziert.“

Hörst und Lorenz sind Teil einer Mission, die sich im Ideenstadium befindet und genau das zum Ziel hat. Im Dezember 2017 kündigte die Nasa weitere Finanzmittel an, um die Möglichkeit zu entwickeln, ein drohnenähnliches Drehflugzeug namens Dragonfly zur Erforschung der präbiotischen Chemie des Titan zu schicken. Im Frühjahr 2019 wird die Nasa bekannt geben, ob Dragonfly abheben wird oder nicht.

„Wenn wir das Glück haben, dass Dragonfly finanziert wird, würden wir 2025 starten und 2034 zum Titan gelangen“, erklärt Lorenz. Dragonfly wäre ein Quadcopter, der in der Lage ist, einige zehn Kilometer in der Stunde zu fliegen, weiter als jeder planetarische Rover je gekommen ist. Die Besonderheiten der Titan-Umgebung mit ihrer geringen Schwerkraft und dichten Atmosphäre bedeuten, dass es sehr einfach wäre, das Labor mit Hilfe von Rotoren zu verlagern. Wir werden in der Lage sein, zu starten und nach und nach interessantere Ziele zu erforschen“, sagt er.

Dragonfly würde eine Reihe von Instrumenten zur Untersuchung der Chemie der Titanoberfläche und -atmosphäre mitführen. Mit Hilfe eines Bohrers und eines Gammastrahlenspektrometers könnte sie auch unter die Oberfläche vordringen. Das würde Informationen über Dinge liefern, die man nicht unbedingt sehen kann, wenn man nur die Oberfläche betrachtet“, erklärt Hörst. Organisches Material fällt ständig aus der Atmosphäre und kann verdecken, was sich darunter befindet.‘

Bis 2034 werden weiterhin Teleskope eingesetzt, um Titan zu untersuchen. Das Atacama Large Millimeter Array, ein Radioteleskop-Array in der Atacama-Wüste in Südamerika, ist eine wirklich unglaubliche Ressource für uns“, sagt Hörst. Sie verwenden Titan als Kalibrierungsziel und alle diese Daten sind öffentlich zugänglich. Anhand dieser Daten werden bereits zahlreiche neue Moleküle in der Titanatmosphäre entdeckt. Das Teleskop wird auch Aufschluss darüber geben, wie diese Moleküle in der Titanatmosphäre verteilt sind. Und sobald James Webb startet, werden wir hoffentlich in der Lage sein, auch mit diesem Teleskop gute wissenschaftliche Erkenntnisse über Titan zu gewinnen.‘

Außerhalb unseres Sonnensystems

Das James Webb Space Telescope (JWST) soll in der ersten Hälfte des Jahres 2019 starten. Es wird im zweiten Lagrange-Punkt „parken“, einem Ort im tiefen Weltraum, an dem sich die Anziehungskraft von Sonne, Erde und Mond gegenseitig aufheben. Es wird dort einfach sitzen und um diesen Punkt im Weltraum kreisen“, erklärt Nikole Lewis, Astronomin am Space Telescope Science Institute in Baltimore, USA, wo das JWST entwickelt wird. Es ist auch das wissenschaftliche Betriebszentrum für das Hubble-Weltraumteleskop.

Das JWST wird nicht nur Planeten und Monde in unserem Sonnensystem untersuchen, sondern auch jenseits unseres Sonnensystems nach Exoplaneten suchen, die möglicherweise Leben beherbergen. Im Februar 2017 wurde bekannt, dass der Stern Trappist-1 von sieben erdgroßen Planeten umkreist wird. Dieses nur 39 Lichtjahre entfernte Sonnensystem sieht unserem eigenen sehr ähnlich. Und mindestens drei der Planeten befinden sich in der sogenannten bewohnbaren Zone, was bedeutet, dass sie flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche beherbergen könnten.

Die Planeten von Trappist-1 wurden mithilfe des Weltraumteleskops Spitzer, des Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (Trappist) in Chile und einiger anderer Teleskope auf der Erde entdeckt. Und seit ihrer Entdeckung hat ein Team unter der Leitung von Lewis die Atmosphären einiger dieser Planeten mit Hubble untersucht. JWST wird das Bild, das sich ihr Team derzeit von diesen Exoplaneten und ihren Atmosphären macht, um viele weitere Details ergänzen.

JWST ist ein Infrarotteleskop mit einer viel höheren Empfindlichkeit als alle seine Vorgänger. Es wird in der Lage sein, die chemischen Fingerabdrücke – falls vorhanden – von Bestandteilen der Atmosphären von Exoplaneten wie Wasser, Methan, Kohlendioxid, Sauerstoff und Ozon zu erkennen.

Lewis‘ Team wird auch nach Anzeichen dafür suchen, dass es auf einem oder mehreren dieser Planeten Leben gibt, das die Chemie seiner Atmosphäre verändert. Wir gehen davon aus, dass bestimmte chemische Spezies im Gleichgewicht sind und dass das Leben dieses Gleichgewicht stört“, erklärt sie. Wir werden in der Lage sein, eine große Anzahl von Planeten nach diesen Anzeichen eines Ungleichgewichts in ihrer Atmosphäre zu durchsuchen, die darauf hindeuten, dass es dort Leben gibt.“

Lewis ist sehr gespannt auf das, was die Zukunft bringen wird. Es wird eine sehr umwälzende Zeit für die Exoplaneten und auch für die Sonnensystemforschung sein. Wir werden weiter vorankommen und versuchen, die Monde in unserem Sonnensystem zu verstehen und dann vielleicht auch ihr Potenzial, Leben zu beherbergen.