Wie Wissenschaftler die Atmosphären von Exoplaneten anhand von Licht lesen

Sternenlicht als chemischer Fingerabdruck

Tausende von Planeten umkreisen Sterne außerhalb unseres Sonnensystems, aber die Kenntnis der Existenz eines Planeten ist nur der Anfang. Der eigentliche Gewinn ist herauszufinden, was ihn umgibt – ob er eine Atmosphäre hat und woraus diese Atmosphäre besteht. Wissenschaftler haben eine elegante Methode entwickelt, um diese Fragen zu beantworten, ohne jemals diese fernen Welten zu besuchen. Die Technik wird Transitspektroskopie genannt und verwandelt Sternenlicht in einen chemischen Fingerabdruck.

Wie Transitspektroskopie funktioniert

Die Methode beruht auf einem einfachen geometrischen Trick. Wenn ein Exoplanet vor seinem Heimatstern vorbeizieht – oder einen „Transit“ macht – wie von der Erde aus gesehen, filtert ein winziger Bruchteil des Sternenlichts durch die dünne Hülle der Planetenatmosphäre, bevor er unsere Teleskope erreicht. Verschiedene Moleküle in dieser Atmosphäre absorbieren Licht bei bestimmten Wellenlängen und hinterlassen charakteristische Einbrüche im Spektrum.

Astronomen zeichnen zunächst das Spektrum des Sterns allein auf. Dann beobachten sie erneut während eines Transits, wenn die Planetenatmosphäre von hinten beleuchtet wird. Durch Subtrahieren des einen Spektrums vom anderen isolieren sie die Absorptionssignatur der Atmosphäre allein. Jeder Einbruch wirkt wie ein Barcode: Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und andere Moleküle hinterlassen alle deutliche Spuren, die Wissenschaftler durch Vergleich der Daten mit Laborreferenzspektren identifizieren können.

Ein komplementärer Ansatz, die Emissionsspektroskopie, erfasst Licht, das direkt vom Planeten selbst abgestrahlt wird – typischerweise sein thermisches Leuchten im Infrarotbereich. Wenn der Planet hinter dem Stern vorbeizieht (eine „sekundäre Eklipse“), messen Astronomen den Abfall der Gesamthelligkeit, um die eigene Emission des Planeten zu isolieren. Dies enthüllt Tagestemperaturen und zusätzliche Hinweise auf die Zusammensetzung der Atmosphäre.

Warum JWST alles verändert hat

Erdgebundene Teleskope leisteten Pionierarbeit bei diesen Techniken, aber die Erdatmosphäre selbst verwischt und absorbiert viele der gleichen Wellenlängen, die Wissenschaftler untersuchen wollen. Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST), das Ende 2021 gestartet wurde, hat das Feld verändert. Sein 6,5-Meter-Goldspiegel sammelt weitaus mehr Licht als jedes frühere Weltraumobservatorium, und seine Infrarotinstrumente – insbesondere der Nahinfrarotspektrograph (NIRSpec) und das Mid-Infrared Instrument (MIRI) – decken Wellenlängen von 0,6 bis 28 Mikrometern ab, ein Bereich, der reich an molekularen Signaturen ist.

Diese Empfindlichkeit hat zu bahnbrechenden Ergebnissen geführt. Im Jahr 2023 entdeckte JWST Kohlendioxid in der Atmosphäre des Gasriesen WASP-39 b – die erste eindeutige Identifizierung von CO₂ auf einem Exoplaneten. Kürzlich zeigten Beobachtungen der ultraheißen, felsigen Supererde TOI-561 b den bisher stärksten Beweis für eine dichte Atmosphäre auf einer felsigen Welt außerhalb unseres Sonnensystems. Die Tagestemperatur des Planeten lag bei etwa 1.800 °C – sengend heiß, aber Hunderte von Grad kühler als Modelle für einen nackten Felsen vorhersagten, was stark auf eine isolierende atmosphärische Hülle hindeutet.

Wonach Wissenschaftler suchen

Nicht jeder Nachweis hat das gleiche Gewicht. Wissenschaftler priorisieren mehrere Schlüsselmoleküle:

• Wasserdampf (H₂O) – ein Zeichen potenzieller Bewohnbarkeit und häufig in Gasriesenatmosphären
• Kohlendioxid (CO₂) – deutet auf geologische oder biologische Aktivität hin
• Methan (CH₄) – auf der Erde hauptsächlich von Lebewesen produziert
• Ozon (O₃) – ein Indikator für freien Sauerstoff, eine mögliche Biosignatur

Das Auffinden eines einzelnen Moleküls ist kein Beweis für Leben. Stattdessen suchen Forscher nach Kombinationen – insbesondere nach chemischen Gemischen, die ohne eine kontinuierliche Quelle nicht nebeneinander existieren sollten, wie z. B. Sauerstoff neben Methan. Dieser Ansatz des „chemischen Ungleichgewichts“ gilt als der robusteste Weg, um eine potenziell bewohnte Welt aus der Ferne zu erkennen.

Grenzen und der weitere Weg

Die Transitspektroskopie funktioniert am besten für große Planeten, die sich in der Nähe ihrer Sterne befinden. Kleinere, erdgroße Welten erzeugen weitaus schwächere Signale, und Planeten, die sich in bewohnbaren Zonen bewegen, machen seltener Transits, was mehr Beobachtungszeit erfordert. Wolken und Dunst in Exoplanetenatmosphären können auch spektrale Merkmale abflachen und so genau die Moleküle verbergen, die Wissenschaftler suchen.

Zukünftige Missionen zielen darauf ab, diese Barrieren zu überwinden. Die ESA-Raumsonde Ariel, die voraussichtlich 2029 starten wird, wird etwa tausend Exoplanetenatmosphären in einer systematischen Bestandsaufnahme untersuchen. Das von der NASA geplante Habitable Worlds Observatory würde ein Koronograf oder einen Sternenschild verwenden, um das Sternenlicht vollständig zu blockieren und so die direkte Abbildung von erdähnlichen Planeten und die Spektralanalyse ihrer Atmosphären zu ermöglichen, ohne dass überhaupt ein Transit erforderlich ist.

Vorerst fügt jeder von JWST beobachtete Transit einer wachsenden Liste außerirdischer Atmosphären eine weitere Zeile hinzu – und bringt die Wissenschaftler der Beantwortung der Frage, ob eine dieser fernen Welten Leben beherbergen könnte, immer näher.