Ist da draußen wer? Gibt es Leben auf einem der vermutlich mehreren hundert Milliarden anderen Planeten in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße? Bis vor etwa 25 Jahren waren zumindest die Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems, die sogenannten Exoplaneten, ein Thema, dem sich deutlich mehr Science-Fiction-Autorinnen und -Autoren als Astronominnen und Astronomen widmeten. Inzwischen ist die Suche nach Exoplaneten ein wichtiger Teil der Astronomie geworden. Zahlreiche Teleskop-Projekte widmen sich der Suche nach solchen Objekten und der Erforschung ihrer Eigenschaften.
Auch wenn der Nachweis von Leben auf solchen Exoplaneten noch Zukunftsmusik ist: Die Planungen dafür, wie solch ein Nachweis gelingen kann, sind bereits durchaus konkret. Simulationen von Exoplaneten-Atmosphären sind längst Teil aktueller Forschung. Zusätzlich werden Spuren simuliert, die Leben in der Atmosphäre hinterlassen könnte, sowie Beobachtungen geplant, mit denen sich Atmosphäreneigenschaften solcher Planeten nachweisen lassen könnten.
Um Leben zu beherbergen, wie wir es kennen, müsste der betreffende Planet zumindest bezüglich einiger entscheidender Eigenschaften ein Doppelgänger unserer Erde sein. Auf oder nahe seiner Oberfläche müsste flüssiges Wasser existieren können, denn das ist nach unserem heutigen Wissensstand die Voraussetzung für die Entstehung von Leben. Ein Planet, der zu weit von seinem Stern entfernt ist, kommt somit nicht in Frage. Auf seiner Oberfläche könnte Wasser allenfalls in Form von Eis existieren. Dem Stern zu nahe kommen dürfte der betreffende Planet allerdings auch nicht. In diesem Fall würde sämtliches flüssiges Wasser verdampfen.

Leben in der bewohnbaren Zone
Diese im Prinzip bewohnbare Zone rund um den Stern heißt in der Astronomie die habitable Zone rund um den Stern. Sie schließt all jene Abstände ein, für die gilt: Auf einem Planeten, der in dieser Zone um seinen Stern kreist, könnte es flüssiges Wasser geben. Dabei spielen zusätzlich die Eigenschaften des Planeten eine Rolle. Welche Oberflächentemperatur ein Planet aufweist, hängt schließlich nicht nur von der Intensität der einfallenden Strahlung ab, sondern auch von der Planetenatmosphäre.
Unsere Erde etwa verdankt die lebensfreundlichen Temperaturen nahe ihrer Oberfläche dem Treibhauseffekt. Ohne die natürlich vorkommenden Treibhausgase läge die Durchschnittstemperatur an der Erdoberfläche bei ungemütlichen –18 Grad Celsius anstelle der tatsächlichen +15 Grad Celsius. So unangenehm die Folgen bei einem menschengemachten Anstieg von Treibhausgasen über das natürliche Maß hinaus sein werden, muss immer noch berücksichtigt werden, dass der Treibhauseffekt als solcher überhaupt erst Voraussetzung für das heutige Level an Lebensfreundlichkeit unseres Heimatplaneten ist.
Auf einem Planeten wie der Venus, die eine dichte Kohlenstoffdioxid-Atmosphäre besitzt, ist der Treibhauseffekt so stark, dass flüssiges Wasser selbst dann existieren könnte, wenn die Venus rund dreimal so weit von der Sonne entfernt wäre wie die Erde. In der Realität ist die Venus allerdings nur rund 70 Prozent so weit von der Sonne entfernt wie die Erde und damit doppelt so intensiver Sonneneinstrahlung ausgesetzt wie unser Planet. Zusammen mit dem intensiven Treibhauseffekt sorgt dies für Oberflächentemperaturen von mehr als 460 Grad Celsius. Dort hat Leben, wie wir es kennen, keine Chance.
Zusammengefasst müsste ein Doppelgänger der Erde, der Leben beherbergen soll, also in der habitablen Zone seines Sternes kreisen. Das ist jedoch noch kein Garant für Lebensfreundlichkeit. Erst in der Kombination aus Sternabstand und Atmosphäreneigenschaften zeigt sich schließlich, ob flüssiges Wasser bestehen kann.
Jener Planet müsste also zusätzlich noch eine geeignete Atmosphäre aufweisen. Aber immerhin liefert uns die Bedingung, unser Zielobjekt möge in der habitablen Zone seines Sterns umlaufen, einen Hinweis, wonach wir zunächst suchen müssen, um einen Planeten zu finden, der in entscheidender Hinsicht Erd-Doppelgänger sein könnte.

Gasriesen und Felsplaneten
Bereits in unserem Sonnensystem kennen wir drei verschiedene Klassen von Planeten: Bei terrestrischen oder Felsplaneten wie unserer Erde sind Masse und Radius vergleichsweise klein, die Dichte vergleichsweise hoch. Die solide Planetenkugel dominiert das Erscheinungsbild und oberhalb der festen Oberfläche befindet sich nur eine vergleichsweise dünne Atmosphäre. Gasriesen wie Jupiter und Saturn oder Eisriesen wie Uranus und Neptun im äußeren Sonnensystem sind anders aufgebaut. Dort ist ein möglicher fester Kern unter dicken Schichten von Gas oder Flüssigkeiten verborgen.
Ein Erd-Doppelgänger müsste zu den terrestrischen Planeten zählen, denn dies ist Voraussetzung für Leben, wie wir es kennen. Die Einschränkung „wie wir es kennen“ sollte man dabei durchaus ernstnehmen: Dass es uns schwerfällt, wissenschaftlich belastbare Aussagen zu Leben unter gänzlich anderen Umweltbedingungen zu treffen, heißt nicht, dass es solches Leben dort draußen nicht gibt – bereits der Astronom Carl Sagan spekulierte in der zweiten Folge seiner Fernsehserie Cosmos über gigantische, ballonähnliche Lebewesen in der Atmosphäre des Gasplaneten Jupiter.
Realistischer und den uns bekannten Lebensformen näher sind Spekulationen über Leben auf den Monden geeigneter Riesenplaneten. Der Eismond Enceladus, welcher den Saturn umkreist, sowie der von Eis bedeckte Jupitermond Europa sind Kandidaten dafür. Bei beiden Monden wird vermutet, dass sie Regionen flüssigen Wassers unter ihren Eisdecken aufweisen, in welchen Leben entstanden sein könnte. Einen Teil der Wärme tragen Gezeitenkräfte des betreffenden Planeten bei: Die Gravitationskraft hängt von der Entfernung zweier Massen ab. Die dem Planeten zugewandte Seite des Mondes und die abgewandte Seite werden vom Planeten unterschiedlich stark angezogen. Der Mond als Ganzes wird dadurch etwas in die Länge gezogen. Ein Mond wie Europa kommt seinem Planeten auf seiner Umlaufbahn immer wieder etwas näher und entfernt sich anschließend wieder. Der Streck-Effekt wird dabei abwechselnd stärker und schwächer –und der Mond wird regelrecht durchgewalkt. Das wiederum geht mit Reibung einher und damit auch mit der Erzeugung von Wärme.
Bei der Frage nach lebensfreundlichen Planeten bringt uns die Suche nach einer zweiten Erde allerdings durchaus weiter – eine zu enge Beschränkung auf reine Erd-Doppelgänger ist bei der Suche nach Leben jenseits der Erde jedoch nicht sinnvoll. Bereits aus der Vergangenheit, besonders aus der Entdeckungsgeschichte der Exoplaneten, kann abgeleitet werden, dass eine zu eng gefasste Suche einen Nachteil hat: Man kann überraschende Entdeckungen verpassen.

Das Tatü-Tata der Exoplaneten
Bereits die erste allgemein anerkannte Entdeckung eines Exoplaneten ist ein Beispiel dafür, wie falsche Doppelgänger-Erwartungen ein Forschungsgebiet behindern können. Dazu muss man wissen, dass Planeten um andere Sterne sich nicht so einfach im Bild festhalten lassen, wie Astronominnen und Astronomen routinemäßig mit anderen Beobachtungsobjekten verfahren. Dazu überstrahlt ein typischer Stern seine Planeten zu stark.
Die allermeisten Versuche, Planeten um andere Sterne als die Sonne nachzuweisen, nutzen daher indirekte Methoden. Eine davon, die sogenannte Radialgeschwindigkeitsmethode, funktioniert wie folgt: Wir sprechen im allgemeinen Sprachgebrauch oft davon, dass ein Planet um seinen Stern kreist, aber in Wirklichkeit kreisen Stern und Planet um ihren gemeinsamen Schwerpunkt. Mit derselben Umlaufzeit wie der Planet bewegt sich auch der Stern auf einer Umlaufbahn, allerdings auf einer deutlich kleineren Bahn, entsprechend der deutlich größeren Masse des Sterns. Falls wir von unserem Heimatplaneten aus nicht direkt von oben auf die Bahnebene schauen, bewegt sich der Stern bei jedem Umlauf ein wenig auf uns zu und dann wieder von uns weg. Diese sogenannte Radialbewegung – auf uns zu, von uns weg – kann man nachweisen, wenn man das Sternenlicht genau untersucht.
Dabei hilft eine Analogie: Ob sich beispielsweise ein Rettungswagen mit Signalhorn von uns weg oder auf uns zu bewegt, kann man anhand der Schallwellen des Tatü-Tata-Signals feststellen: Bewegen sich Fahrzeug und Signalhorn auf uns zu, klingt das Tatü-Tata etwas höher, bewegen sie sich von uns weg, etwas tiefer. Besonders deutlich wird dieser sogenannte Dopplereffekt, wenn ein solches Fahrzeug direkt an uns vorbeifährt. Der Übergang von höherer zu niedrigerer Tonfolge im Moment des Vorbeifahrens ist dann nicht zu überhören.
Auch Licht ist eine Welle. Zumindest einige Anteile des Sternenlichts, sogenannte Spektrallinien, entsprechen beim Schall einfachen reinen Tönen. Spektrallinien sind eng begrenzte Wellenlängenbereiche, in denen besonders viel oder besonders wenig Energie ausgesandt wird. Erstellt man ein Spektrum des Sterns, dokumentiert also, wie viel Licht ein Stern in den verschiedenen Wellenlängenbereichen aussendet, sind Spektrallinien darin deutlich sichtbar.
Bewegt sich der Stern auf uns zu, werden solche Spektrallinien zu etwas geringeren Wellenlängen hin verschoben, bewegt er sich von uns fort, zu etwas längeren Wellenlängen. Ein Sternenspektrum kann daher verraten, mit welcher Geschwindigkeit sich der betreffende Stern auf uns zu oder von uns wegbewegt. Bei regelmäßiger Hin- und Herbewegung lässt sich auf diese Weise auf die Anwesenheit eines Planeten schließen – die sogenannte Radialgeschwindigkeitsmethode für den Nachweis von Exoplaneten.

Eine überraschende Entdeckung
Zurück zu den Problemen aufgrund überzogener Doppelgänger-Erwartungen: Ernsthafte Versuche, auf diese Weise mit hinreichend genauen Instrumenten Exoplaneten nachzuweisen, gibt es bereits seit einer ganzen Weile. Die kanadischen Astronomen Gordon Walker und Bruce Campbell beispielsweise suchten in den 1980er Jahren mit dem Canada-France-Hawaii-Teleskop (Spiegeldurchmesser 3,6 Meter) bei einigen Dutzend Sternen nach entsprechenden Planeten und erhielten für drei Sterne durchaus vielversprechende Ergebnisse – allerdings nicht so eindeutig, dass sich die Gemeinschaft der Astronominnen und Astronomen von der Entdeckung hätte überzeugen lassen. Nicht zuletzt hatte es dafür zuvor zu viele Behauptungen einer Entdeckung von Exoplaneten gegeben, die sich im Nachhinein nicht bestätigt hatten. Im August 1995 veröffentlichten Walker und Kollegen einen selbstkritischen Artikel, in dem sie Bilanz zogen: Es sei ihnen lediglich gelungen, die Existenz von Exoplaneten um die untersuchten Sterne für eine bestimmte Kombination aus Massen, Abständen zum Stern und Umlaufzeiten zu widerlegen.
Zur gleichen Zeit, nämlich seit Mitte September 1994, waren am Observatoire Haute Provence im Südosten Frankreichs die Schweizer Astronomen Didier Queloz und Michel Mayor dabei, dieselbe Art von Messungen durchzuführen. Im Oktober 1995 gaben sie auf einer Konferenz ihre Entdeckung eines Planeten um den Stern 51 Pegasi bekannt, der für einen einzigen Umlauf nur vier Tage und fünfeinhalb Stunden benötigt.
Am meisten dürfte sich bei dieser Bekanntmachung die US-amerikanische Konkurrenz geärgert haben: Geoff Marcy und Paul Butler am Lick-Observatorium. Diese hatten zu jenem Zeitpunkt bereits seit mehreren Jahren mit der Radialgeschwindigkeitsmethode nach Exoplaneten gesucht. Aber mit der entscheidenden Entdeckung waren ihnen die Schweizer zuvorgekommen. Mit einer raschen Auswertung eigener Beobachtungen konnten Marcy und Butler die Entdeckung nur fünf Tage nach der Bekanntmachung bestätigen.
Das war der erste bestätigte Nachweis eines Planeten um einen anderen Stern als die Sonne. Er löste einen Boom aus, der die Exoplaneten-Forschung in den darauffolgenden Jahrzehnten zu einem der aktivsten Gebiete der Astronomie machte – ein Boom, der bis heute anhält.

Reinfall mit dem Doppelgänger-Sonnensystem
Dass um 51 Pegasi den Messungen nach ein Planet mit fast der halben Masse des Jupiter (146 Mal der Masse der Erde) auf einer rund zehn Mal engeren Bahn kreiste als Merkur um die Sonne, war dabei eine komplette Überraschung gewesen. Mayor und Queloz waren nur erfolgreich gewesen, weil ihre separaten Messungen der Radialgeschwindigkeit des Sterns schnell genug nacheinander stattfanden, dass sie unerwartet schnelle Geschwindigkeitsveränderungen wie bei dem Planeten um 51 Pegasi überhaupt nachweisen konnten.
Das erfolglose kanadische Team dagegen hatte seine Suchstrategie an der Annahme ausgerichtet, ferne Planetensysteme wären ungefähr so beschaffen wie unser Sonnensystem und hätten folglich eine lange Umlaufzeit. Jupiter beispielsweise, der massereich genug ist, dass ein Nachweis über den Dopplereffekt gelingen könnte, benötigt zwölf Jahre, um einen Umlauf zu vollenden.
Auch Marcy und Butler in den USA hatten sich darauf eingestellt, einen jupiterähnlichen Planeten mit einer Periode von mehreren Jahren nachzuweisen. Sie hatten sogar darauf verzichtet, ihre entsprechenden Beobachtungen zeitnah auszuwerten, in der Annahme, dass sich bei einer so langen Umlaufzeit aussagekräftige Ergebnisse erst dann erlangen lassen, wenn man einen entsprechend langen Zeitraum von Messungen als Gesamtheit auswertet.
Diese Fixierung auf ein Doppelgänger-Sonnensystem hatte sowohl die Kanadier als auch Marcy und Butler in die Irre geführt. Den Nobelpreis für die Entdeckung eines Exoplaneten, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist, bekamen im Oktober 2019 Mayor und Queloz. Heute, 25 Jahre nach der ersten anerkannten Entdeckung, sind fast 4300 Exoplaneten bekannt. Davon befinden sich 700 in Planetensystemen, in denen wir mehr als einen Planeten kennen. Zumindest was die Zahl der entdeckten und vermessenen Planeten angeht, ist die Radialgeschwindigkeitsmethode inzwischen von der sogenannten Transitmethode abgelöst worden. Dort wird nach winzigen Helligkeitsschwankungen im Sternenlicht Ausschau gehalten, die entstehen, wenn sich ein Planet von uns aus gesehen vor seinen Stern schiebt. Um direkte Aussagen zur Masse eines Exoplaneten zu erhalten, sind Radialgeschwindigkeitsmessungen aber nach wie vor
wichtig. Wo immer möglich, versucht man, einen Planeten auf beide Weisen nachzuweisen.

Ist da draußen wer?
Die bloße Entdeckung von neuen Exoplaneten ist mittlerweile Routine. Spannend dagegen ist: Von Jahr zu Jahr geben immer empfindlichere Messungen zunehmend mehr Aufschluss über die Atmosphären von Exoplaneten. Damit ist der nächste große Schritt, der die Öffentlichkeit bei weitem am meisten interessieren dürfte, nämlich die Suche nach und der Nachweis von Leben auf einem Exoplaneten, in planbare Nähe gerückt. Es ist nicht die erste gezielte Suche nach außerirdischem Leben. Bereits seit 1960 versuchen Radioastronominnen und Radioastronomen, die Radiosignale ferner Zivilisationen aufzufangen. SETI, diese Art von Suche nach extraterrestrischen Intelligenzen, war allerdings immer nur ein Nischenprojekt.
Was jetzt anläuft, ist im Gegensatz dazu Ergebnis und Fortführung einer Entwicklung, die zentral für einen Schlüsselbereich der Astronomie ist. Spektren der Atmosphäre eines Exoplaneten erlauben Rückschlüsse auf deren chemische Zusammensetzung. Einige der möglichen Ergebnisse können auf Prozesse hindeuten, die nach heutigem Wissen nur durch die Anwesenheit von lebenden, sauerstoffproduzierenden Organismen auf dem Planeten erklärt werden können. Auf diese Weise könnte sich Leben auf einem fernen Exoplaneten nachweisen lassen.
Fachleute sprechen bei dieser Suche von einem Zeithorizont von mehreren Jahrzehnten. Laura Kreidberg, seit Mitte Mai Direktorin am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg mit dem Spezialgebiet Exoplaneten-Atmosphären, sagt voraus, dass es innerhalb der nächsten zehn Jahre möglich sein dürfte, die Atmosphärenchemie für Planeten bei den uns nächsten massearmen Sternen zu charakterisieren. Bei einigen davon sollte auch die Suche nach Spuren von Leben durchführbar sein. Massearme Sterne eignen sich für dieses Vorhaben besonders, da sie ihre Planeten nicht so stark überstrahlen wie massereichere Sterne.
Um die Atmosphäre von Exoplaneten nachzuweisen, die einen Stern mit ähnlicher Helligkeit wie unsere Sonne umkreisen, wäre dagegen ein Weltraumteleskop der nächsten Generation nötig, so Kreidberg: Mit einem Spiegeldurchmesser von rund zehn Metern ließe sich die nötige Empfindlichkeit erreichen, um Erd-Doppelgänger abzubilden, die nahe Sterne umkreisen, und in den Spektren ihrer Atmosphären nach Spuren von Leben zu suchen.
Pläne für den Bau dieser Art von Weltraumteleskop existieren bereits. Diesen Plänen nach könnte ein solches Teleskop innerhalb der nächsten zwei Jahrzehnte seine Arbeit aufnehmen – allerdings haben Projekte dieser Art in der Vergangenheit häufig deutlich länger gedauert als geplant. Sind die betreffenden Teleskope erst einmal im Einsatz, dann stehen die Chancen nicht schlecht, Leben außerhalb der Erde zu finden. Dass wir auf diese Weise unsere Doppelgänger oder allgemeiner intelligentes Leben finden, ist wenig wahrscheinlich.
Aber vielleicht finden wir immerhin entfernte kosmische Verwandte: Lebensformen, die wie wir Bewohner einer winzigen lebensfreundlichen Oase im großen, fast überall lebensfeindlichen Weltall sind.