Auf der Suche nach „Erde 2.0“ schlagen chinesische Wissenschaftler einen Plan zur Himmelsdurchmusterung vor

◎ Jin Feng, Reporter der Science and Technology Daily

Die Frage, ob es im Universum noch anderes Leben gibt und ob es eine zweite Heimat gibt, die für den Menschen geeignet ist, hat Wissenschaftler seit Tausenden von Jahren dazu bewegt, tiefer in das Universum vorzudringen.

Kürzlich erfuhr der Reporter vom Purple Mountain Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dass chinesische Wissenschaftler eine „Nearby Habitable Planet Survey“ (im Folgenden „CHES“) vorgeschlagen haben. Dabei soll ein hochpräzises astronomisches Mess-Weltraumteleskop mit einem Durchmesser von 1,2 Metern gestartet werden, das mindestens fünf Jahre lang routinemäßig am Lagrange-Punkt L2 des Sonne-Erde-Systems betrieben werden soll. Ziel ist es, 100 sonnenähnliche Sterne in einer Entfernung von etwa 32 Lichtjahren von der Erde zu entdecken, in der Hoffnung, die erste bewohnbare Zone außerhalb des Sonnensystems, „Erde 2.0“, zu entdecken. Dies wird die erste internationale Weltraumerkundungsmission sein, die speziell auf die Suche nach bewohnbaren erdähnlichen Planeten um nahegelegene sonnenähnliche Sterne ausgerichtet ist.

Was die Entwicklung des Universums betrifft, können wir nicht vorhersagen, was in 50 bis 100 Jahren mit der Umwelt der Erde geschehen wird. Wir versuchen herauszufinden, ob es im Universum andere bewohnbare Planeten gibt, insbesondere um die Nachbarsterne des Sonnensystems, und dann zu erforschen, ob es auf diesen Planeten Leben oder eine fortgeschrittene Zivilisation gibt. Ji Jianghui, Forscher am Purple Mountain Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Projektleiter der „Neighboring Habitable Planet Survey“, sagte gegenüber Science and Technology Daily, dass die Wissenschaftler hoffen, mit der Umsetzung dieses Plans einen klugen Blick auf die Suche nach „Erde 2.0“ zu werfen.

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Wir werden nach nahegelegenen Planeten suchen, die eine mit der Erde vergleichbare Masse haben und sich in der bewohnbaren Zone befinden.

Seit der Entdeckung des ersten jupiterähnlichen Planeten außerhalb des Sonnensystems im Jahr 1995 hat der Mensch mehr als 5.000 Exoplaneten entdeckt und bestätigt. Diese Planeten variieren in Größe und Form und umfassen heiße Jupiter, Subneptune, Gesteinsplaneten, Supererden und andere Typen.

Gliese 581c wurde 2007 entdeckt und gilt als der erste erdähnliche Planet, der von Menschen in der bewohnbaren Zone entdeckt wurde. Im Jahr 2016 entdeckten Astronomen Proxima b, einen erdähnlichen Planeten in der bewohnbaren Zone um Proxima Centauri, den der Erde am nächsten gelegenen Stern. Seine Mindestmasse beträgt 1,3 Erdmassen und seine Umlaufzeit beträgt nur 11,2 Tage.

„Die bewohnbare Zone im Sonnensystem liegt zwischen Mars und Venus, und die Erde befindet sich genau in der Mitte.“ Ji Jianghui führte ein, dass Astronomen den Bereich der Planetenumlaufbahnen, der für die Existenz von Leben in einem Planetensystem geeignet ist, als „bewohnbare Zone“ bezeichnen.

Innerhalb der „bewohnbaren Zone“ kann die durchschnittliche Oberflächentemperatur des Planeten die stabile Existenz von flüssigem Wasser aufrechterhalten, sodass dort ähnliche Bedingungen für die Existenz von Leben herrschen könnten wie auf der Erde. Gleichzeitig wird die stellare Strahlung und Aktivität hier nicht zu stark sein, um eine Ionisierung von Wassermolekülen und Kohlendioxidmolekülen in der Atmosphäre des Planeten oder sogar eine Zerstörung der Atmosphäre des Planeten zu vermeiden.

Es wurden etwa 50 terrestrische Planeten in der bewohnbaren Zone außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt, doch die meisten von ihnen besitzen eine Masse, die mehrere bis zehnmal so groß ist wie die der Erde, was einer „Supererde“ entspricht. Die meisten von ihnen sind weit von der Erde entfernt, bis zu Tausenden von Lichtjahren. Darüber hinaus befinden sich viele der entdeckten Planeten in der Nähe von roten Zwergen, deren Oberflächentemperatur unter 3500 Kelvin liegt, und die Weltraumumgebung ist rau mit starken Strahlungsausbrüchen. Daher sind wir eher besorgt darüber, ob es in der bewohnbaren Zone um sonnenähnliche Sterne, die etwa 32 Lichtjahre von der Erde entfernt sind, eine „Erde 2.0“ gibt. Ji Jianghui sagte, dass die „Erde 2.0“ oder „Zwillingserde“, nach der der CHES-Plan sucht, ein Planet mit einer Masse vergleichbar mit der Erde sei, einer Umlaufbahn in der bewohnbaren Zone und flüssigem Wasser in der Atmosphäre oder auf der Oberfläche, um Leben zu erhalten.

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„Auch wenn die Menschheit derzeit nicht in der Lage ist, diese erdähnlichen Planeten zu erreichen, beeinflusst das unsere Überlegungen darüber, wohin die Menschheit im Universum vordringen wird und ob es noch andere Planeten wie die Erde gibt“, sagte Ji Jianghui.

Die Transitmethode, die die Konturen von Exoplaneten skizzieren kann, ist schwierig, Planeten zu "wiegen"

Die Frage, ob die Erde im weiten Sternenhimmel der einzige einsame Planet mit Leben ist, hat Wissenschaftler aus aller Welt dazu veranlasst, keine Mühen bei der Erforschung des Weltraums zu scheuen. Sie setzen „Planetenjäger“ im Weltraum und auf der Erde ein, um Spuren von Planeten zu erfassen.

Im Weltraum haben das US-Weltraumteleskop Kepler und der Satellit TESS die Entdeckung von Exoplaneten übernommen und bisher mehr als 3.400 davon entdeckt.

Auf der Erde nutzt das spanisch-deutsche CARMENES-Projekt ein 3,5-Meter-Teleskop in Südspanien und kombiniert Nahinfrarotbeobachtungen mit einem optischen Stufengitterspektrometer, um nach erdähnlichen Planeten um rote Zwerge zu suchen. Das neue Spektropolarimeter „SPIRou“, das vom Canada-France-Hawaii Telescope entwickelt wurde, und der „Habitable Zone Planet Finder“ des McDonald Observatory in den USA verwenden die Radialgeschwindigkeitsmethode, um im nahen Infrarotbereich nach bewohnbaren Planeten um rote Zwerge zu suchen.

Ji Jianghui führte ein, dass zu den aktuellen Methoden zur Erkennung von Exoplaneten die Transitmethode, die Methode zur Messung der Radialgeschwindigkeit, die Astrometriemethode, die Methode der direkten Abbildung und die Mikrolinsenmethode gehören. Die meisten dieser Exoplaneten wurden durch Radialgeschwindigkeitsmessung und Transitmethode entdeckt.

„Etwa 73 % der Sterne im Universum sind Rote Zwerge. Da Rote Zwerge eine niedrige Effektivtemperatur haben, ihre bewohnbaren Zonen sich in der Nähe ihrer Muttersterne befinden und ihre Masse und ihr Volumen gering sind, können die sie umgebenden Planeten leicht mit der Transitmethode und der Radialgeschwindigkeitsmethode erkannt werden.“ Ji Jianghui erklärte: „Transit“ bezieht sich darauf, dass ein Planet vor einem Stern vorbeizieht und das Licht des Sterns blockiert. Daher können die Transitereignisse von Exoplaneten anhand der periodischen Abnahme der Helligkeit des Sterns verfolgt werden. Dies ist wie der Transit der Venus. Wenn sich die Venus langsam von der Sonnenoberfläche entfernt, verdeckt sie einen sehr kleinen Teil der Sonne und die Sonne scheint dunkler zu werden. Durch Transitbeobachtungen können anhand der periodischen Änderungen der Sternhelligkeit Rückschlüsse auf die Größe und Umlaufzeit von Exoplaneten gezogen werden. Ji Jianghui machte jedoch keinen Hehl aus der Tatsache, dass die Transitmethode zwar effektiv war, ihre Erkennungseffizienz jedoch begrenzt war.

„Erstens: Will man das Transitphänomen beobachten, sind besondere Anforderungen an die Umlaufbahn des Planeten zu stellen. Der Planet muss in Richtung des Sterns zur Erde wandern, also fast in Richtung der Sichtlinie des Beobachters. Da die Umlaufbahnen der Planeten jedoch zufällig verteilt sind, beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Transit von einigen Weltraumteleskopen erkannt wird, nur 5/1000. Zweitens kann die Abschwächung und Verdunkelung der Leuchtkraft des Sterns durch Sonnenflecken oder Sternaktivität verursacht werden, sodass die Transitmethode noch durch andere erdgebundene Nachweismethoden bestätigt werden muss. Obwohl TESS fast 4.000 Planetenkandidaten beobachtet hat, können nur mehr als 200 Planeten bestätigt werden. Drittens kann die Transitmethode nur den Radius des Planeten messen, nicht aber direkt dessen Masse bestimmen, die ein Schlüsselparameter zur Beschreibung von Erde 2.0 ist“, erklärte Ji Jianghui.

Innovative Erkennungsmethode: CHES-Erkennungsgenauigkeit erreicht Mikrobogensekunden-Niveau

Im Gegensatz zu Satelliten wie TESS, die Methoden zur Transiterkennung verwenden, wird das CHES-Programm hochpräzise Astrometrie im Mikrobogensekundenbereich im Weltraum einsetzen, um die interstellaren Entfernungen zwischen einem Zielstern und 6–8 Referenzsternen im Mikrobogensekundenbereich genau zu messen. Diese geringfügige Änderung spiegelt die sehr kleine Schwankung des Zielsterns wider, die durch die Gravitationsstörungen des ihn umkreisenden Planeten verursacht wird.

„Einfach ausgedrückt: Wenn sich ein Planet um einen Stern befindet, verursacht dieser eine kleine periodische Schwingung des Sterns. Lässt man die Eigenbewegung des Sterns außer Acht, gilt: Je kleiner die Schwingungsamplitude des Sterns, desto geringer die Masse des ihn umgebenden Planeten und umgekehrt. Indem wir winzige Positionsänderungen eines Sterns beobachten, können wir herausfinden, ob es bewohnbare Planeten um den Stern gibt und deren wahre Masse und Bahnparameter berechnen“, sagte Ji Jianghui.

Um „Erde 2.0“ im riesigen Universum zu entdecken, brauchen wir ein Paar scharfe Augen. Ji Jianghui sagte, dass die wissenschaftliche Nutzlast von CHES ein optisches Teleskop mit hoher Bildqualität, geringer Verzerrung und hoher Stabilität sei. Es habe eine Öffnung von 1,2 Metern und eine Brennweite von 36 Metern, mit dem eine nahezu beugungsbegrenzte Vollfeldabbildung möglich sei.

Dem Plan zufolge soll das Weltraumteleskop CHES in die Halo-Umlaufbahn des zweiten Lagrange-Punkts des Sonne-Erde-Systems gebracht werden und dort mindestens fünf Jahre lang einen stabilen Betrieb aufrechterhalten. Während dieser Zeit wird es 100 sonnenähnliche Sterne wissenschaftlich entdecken und jeden Stern mindestens 50 Mal beobachten. Es wird erwartet, dass etwa 50 erdähnliche Planeten entdeckt werden.

Die Erkennungsgenauigkeit von CHES wird ein beispielloses Niveau von Mikrobogensekunden erreichen. Ji Jianghui gab eine Analogie: „Das ist so, als würde man von der Erde aus auf den Mond blicken und die Kante einer Ein-Yuan-Münze erkennen, die man auf den Mond legt.“ Er sagte, dass dem CHES-Team nach Jahren harter Arbeit Durchbrüche bei Schlüsseltechnologien wie der Mikropixel-Abstandsmessung zwischen Satelliten gelungen seien, die die Anforderungen an die Erkennungsgenauigkeit bewohnbarer Planeten erfüllen könne. Wenn CHES genehmigt wird, wird es die erste Weltraumerkundungsmission der Welt sein, die hochpräzise Astrometrie einsetzt, um gezielt nach bewohnbaren Planeten zu suchen.

Ji Jianghui sagte, dass diese Mission neben der Entdeckung bewohnbarer Planeten auch entsprechende Beiträge zur Spitzenforschung der Wissenschaft zu dunkler Materie, schwarzen Löchern usw. leisten werde.

Wenn es CHES gelingt, die Umlaufbahnen dieser erdähnlichen Planeten zu „erfassen“, wie können wir dann feststellen, ob sie zu bewohnbaren „Auserwählten“ werden? Ji Jianghui erklärte: „Wir müssen nicht nur die Masse der Planeten beurteilen und feststellen, ob sie bewohnbar sind, sondern auch, ob es auf ihnen Wasser und Sauerstoff gibt und wie sich diese Planeten von den bereits entdeckten unterscheiden.“ Darüber hinaus gibt es noch viele weitere Bedingungen für die stabile Existenz von Leben, wie etwa eine ausreichend lange Lebensdauer von Sternen und Planeten für die Entstehung von Leben, eine geeignete Leuchtkraft der Sterne, stabile, nahezu kreisförmige Planetenbahnen und Rotationsneigungen, geeignete Planetenatmosphären und Planetenmagnetfelder usw.

Wie können Menschen den erdähnlichen Planeten in der bewohnbaren Zone 32 Lichtjahre von der Erde entfernt erreichen? Ji Jianghui stellte sich vor: „Zunächst einmal erfordert dies den Segen der interstellaren Navigationsmöglichkeiten. Beispielsweise muss die Fluggeschwindigkeit möglicherweise Unterlichtgeschwindigkeit erreichen. Darüber hinaus ist es auch notwendig, die Verteilung dieser Planeten zu verstehen. Dies erfordert eine umfassende „interstellare Volkszählung“ sonnenähnlicher Sterne in 32 Lichtjahren Entfernung von der Erde, um den Weltraum für die zukünftige Entwicklung der Menschheit zu erweitern.“

Quelle: Science and Technology Daily

Herausgeber: Zhang Shuang

Rezension: Julie

Endrichter: Wang Yu