Forschungsschwerpunkte – Dr. Lisa Kaltenegger

Forschungsschwerpunkte – Dr. Lisa Kaltenegger
Die Suche nach extrasolaren Planeten und ihre Charakterisierung entwickeln sich gegenwärtig zu
einem der aufregendsten Gebiete der Astronomie. Nach der Entdeckung der ersten felsartigen Planeten in den letzten Jahren stellt sich die faszinierende Frage, ob solche Planeten lebensfreundliche
(habitable) Bedingungen aufweisen können. Mehr als 750 Exoplaneten wurden bislang entdeckt, die
meisten sind heiße Gasplaneten („heiße Jupiter“), die sehr eng um ihren Stern kreisen. Zwar bleiben
massereiche, große Planeten leichter zu finden, doch die Zahl der entdeckten massearmen Planeten
steigt viel stärker, was anzeigt, dass es viel mehr von ihnen geben dürfte. Mit der Entdeckung der
ersten felsartigen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems ist die faszinierende Frage nach Leben im All ins Blickfeld der Forschung geraten. Könnte unter den bekannten Gesteinsplaneten eine
zweite Erde sein, mit Wasser und Temperaturen über dem Gefrierpunkt, sodass die Bedingungen
biologischer Aktivität zumindest ermöglichen könnten?
Lisa Kaltenegger erforscht die spektralen Signaturen in den Atmosphären extrasolarer terrestrischer
Planeten, die entscheidende Indizien zur Charakterisierung ferner Welten und auch auf potenzielle
Lebensspuren liefern können. Das Ziel ist, Hinweise auf Wasser, Sauerstoff und andere Gase wie
Kohlendioxid und Methan zu finden, da die Kombination von Sauerstoff mit einem reduzierenden Gas
(wie Methan) ein Nachweis für biologische Aktivität auf einem Planeten ist. Dieser spektrale Fingerabdruck repräsentiert jedoch zunächst nur die heutigen Zustände auf unserer Erde. Gesteinsplaneten
um andere Sonnen könnten auch ganz andere Spektren zeigen, etwa weil sie sich in einem anderen
Entwicklungszustand befinden. Dies ist ein Forschungsschwerpunkt, dem sich Dr. Kaltenegger, indem sie Geologie und Astronomie kombiniert.
Der spektrale Fingerabdruck unserer Erde hat sich seit ihrer Entstehung stark verändert und spiegelt
die Veränderungen unserer Sonne, die zu Beginn weniger leuchtkräftig war, sowie unseres Planeten
wider. Mithilfe von Fossilienfunden lässt sich ein Modell der Geschichte unserer Erde über geologische Zeiträume entwickeln und der spektrale Fingerabdruck berechnen, den die junge Erde über ihre
geologische Entwicklung zeigte. Somit finden sich etwa in der Hälfte der bisherigen Lebensspanne
der Erde Spuren von Leben im Fingerabdruck, in Form von Sauerstoff kombiniert mit Methan und
Wasser. Auch geologische Ereignisse wie gewaltige Vulkanausbrüche sowie andere geologische
Zyklen hinterlassen Spuren in der Planetenatmosphäre, nach denen neue Instrumente, wie JWST,
der Nachfolger Hubbles, ab 2018 suchen können. Jeder Planet beziehungsweise Exoplanet besitzt
einen charakteristischen spektralen Fingerabdruck, der von Kalteneggers Forschungsgruppe modelliert und auf potenzielle Lebensspuren hin untersucht wird.
Forschungsschwerpunkte – Heinz Maier-Leibnitz-Preis 2012
Dr. Lisa Kaltenegger
Stand April 2012
DFG
2
Astronomische Beobachtungen haben bereits drei „Super-Erden“ gefunden, also massearme Planeten in der habitablen Zone ihrer Sterne. Der spektrale Fingerabdruck, den solche Super-Erden zeigen
sollten, wird in Dr. Kalteneggers Team berechnet. Ein Fokus liegt auf Absorptionslinien, die den Unterschied zwischen habitablen und nicht habitablen Bedingungen messbar machen. Diese werden
schon heute als Test für zukünftige Satelliteninstrumente benutzt.
Die habitable Zone um einen Stern, ein weiterer Schwerpunkt der Forschung Kalteneggers, hängt in
erster Linie von der Helligkeit des Sterns und der Planetenatmosphäre ab. Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmt den Anteil des Sternlichts, der reflektiert oder absorbiert wird,
sowie die Erwärmung der Atmosphäre durch Treibhausgase. Das Konzept der habitablen Zone ähnelt
einem Lagerfeuer: Zu nahe am Lagerfeuer ist es zu heiß, zu weit entfernt zu kalt, und nur in einer
bestimmten Entfernung ist es gerade so warm, dass flüssiges Wasser existieren kann. Das ist zumindest notwendig – wenn auch nicht allein ausreichend –, um Leben zu ermöglichen, wie wir es kennen.
Kalteneggers Modelle werden zur Erkennung der besten Kandidaten für habitable Bedingungen zum
Beispiel für die NASA Kepler-Mission benutzt, die unter tausenden Planetenkandidaten schon an die
50 Kandidaten für solcher Super-Erden in der habitablen Zone ihrer Sterne entdeckt hat.
Die Entdeckung von Gesteinsplaneten in der habitablen Zone um ihre Sterne eröffnet also die faszinierende Aussicht, ihre Charakteristiken im Detail zu untersuchen. Die Erkenntnisse, die wir dabei
gewinnen, dürften sicher auch unser Verständnis darüber, was eine habitable Zone und ein habitabler
Planet sind, auf den Prüfstand stellen. Dies könnte auch sehr lehrreich sein, um mehr über Entstehung, Entwicklung und Zukunft unseres eigenen Planeten zu erfahren.
Lisa Kalteneggers Emmy Noether-Forschungsgruppe (SUPEREARTHS), die am Max-Planck-Institut
für Astronomie (MPIA) in Heidelberg angesiedelt ist, hat das Ziel, die Atmosphären möglicher habitabler erdähnlicher Planeten zu erforschen – mit einem stark interdisziplinären Forschungsansatz. Sie ist
am MPIA in ein exzellentes Umfeld eingebettet und zugleich in ein internationales Forschungsnetz
eingebunden. Der Fokus der Forschung ist die Modellierung von felsartigen Planeten, von 1–10 Erdmassen (Super-Erden), die auf einem etablierten und sehr vielseitig einsetzbarem Atmosphärenmodell aufbaut. Das Hauptziel der Gruppe ist es, die spektralen Signaturen – speziell biologische – in
den Atmosphären extrasolarer terrestrischer Planeten zu modellieren, mit einem besonderen
Schwerpunkt auf bereits entdeckte Planeten. Eine dieser entdeckten Super-Erden, in der habitablen
Zone ihres Sterns, könnte möglicherweise eine der ersten habitablen Welten außerhalb unseres Sonnensystems sein. Der spektrale Fingerabdruck des Planeten, den wir mit zukünftigen Instrumenten
erkunden können, kann dies zeigen. Wir leben in einer spannenden Zeit, in der wir den Horizont nicht
mehr nach neuen Kontinenten, sondern nach neuen Welten absuchen und ob sie Anzeichen für Leben zeigen.
Forschungsschwerpunkte – Heinz Maier-Leibnitz-Preis 2012
Dr. Lisa Kaltenegger
Stand April 2012
DFG