ETH Zürich sucht nach ausserirdischem Leben: So funktioniert LIFE

Die vielleicht wichtigste Antwort der Astronomie könnte in einem kaum sichtbaren Wärmesignal stecken: in der Strahlung eines kleinen Planeten, der einen nahen Stern umkreist. Genau dieses Signal will die von der ETH Zürich geführte LIFE-Initiative eines Tages auffangen. Aus seinem Spektrum sollen Forschende ablesen können, ob der Planet eine Atmosphäre besitzt, ob dort flüssiges Wasser möglich wäre – und ob mehrere chemische Spuren gemeinsam auf biologische Aktivität hindeuten.

So weit ist es noch nicht. LIFE – kurz für «Large Interferometer for Exoplanets» – ist ein internationales Missionskonzept und ein Technologieprogramm, keine von der Europäischen Weltraumorganisation ESA bereits ausgewählte oder finanzierte Mission. Der Unterschied ist entscheidend: Die wissenschaftliche Idee ist konkret, zentrale Bausteine werden im Labor getestet, doch über Bau und Start wurde noch nicht entschieden.

Fünf Raumfahrzeuge bilden ein virtuelles Teleskop

Ein einzelner grosser Spiegel würde für LIFE nicht genügen. Das aktuelle Basiskonzept sieht vier frei fliegende Sammelteleskope vor, die mehrere Dutzend bis mehrere Hundert Meter voneinander entfernt arbeiten. Ein fünftes Raumfahrzeug im Zentrum führt die Lichtstrahlen zusammen. Als Formation sollen die fünf Satelliten die Auflösung eines weit grösseren Teleskops erreichen.

Gemessen werden soll im mittleren Infrarot zwischen etwa 4 und 18,5 Mikrometern. In diesem Wellenlängenbereich geben temperierte Planeten einen grossen Teil ihrer messbaren Wärmestrahlung ab. Zugleich hinterlassen Moleküle charakteristische Absorptionslinien. Aus einem solchen Spektrum lassen sich deshalb Rückschlüsse auf Temperatur, Oberfläche und Zusammensetzung einer Atmosphäre ziehen.

Das Ziel sind vor allem nahe, kleine Gesteinsplaneten: Welten, die ungefähr so gross und ähnlich temperiert wie die Erde sein könnten. «Erdähnlich» bedeutet dabei nicht automatisch bewohnbar – und schon gar nicht bewohnt. LIFE soll zunächst die physikalischen und chemischen Bedingungen dieser Planeten bestimmen.

Der Trick: Das Sternenlicht wird ausgelöscht

Das zentrale Problem ist der Kontrast. Selbst ein naher erdähnlicher Planet ist neben seinem Stern extrem lichtschwach. LIFE setzt deshalb auf Nulling-Interferometrie. Die Lichtwellen aus den vier Teleskopen werden im Kombinationssatelliten so gegeneinander verschoben, dass sich das Licht des zentralen Sterns durch destruktive Interferenz weitgehend aufhebt. Das Licht eines seitlich versetzten Planeten trifft in einer anderen Phase ein und bleibt teilweise erhalten.

Vereinfacht gesagt: Das Instrument erzeugt einen künstlichen blinden Fleck genau dort, wo der helle Stern steht. Erst dadurch soll die schwache Wärmestrahlung eines Planeten messbar werden. Dafür müssen die Raumfahrzeuge ihre Formation präzise halten und die optischen Weglängen auf winzige Bruchteile einer Lichtwellenlänge stabilisieren.

Ein Erdtest liefert einen wichtigen Realitätscheck

Ob sich mit dem geplanten Verfahren tatsächlich eine bewohnbare Welt erkennen liesse, prüfte ein Team der ETH Zürich und der Universität Zürich an dem einzigen bekannten Beispiel: der Erde. Für eine 2024 im Astrophysical Journal veröffentlichte Studie nutzten die Forschenden reale Messdaten des NASA-Erdbeobachtungssatelliten Aqua. Daraus erzeugten sie ein gemitteltes Infrarotspektrum, wie LIFE es von einer rund 30 Lichtjahre entfernten «zweiten Erde» erhalten könnte.

Die Auswertung lieferte Kohlendioxid, Wasser, Ozon und Methan sowie Oberflächenbedingungen, unter denen flüssiges Wasser möglich ist. Das Resultat blieb für verschiedene Blickwinkel auf die Erde stabil. Eine wichtige Einschränkung zeigte sich ebenfalls: Saisonale Veränderungen waren in der untersuchten Datenqualität kaum zu erkennen.

Der Test beweist weder, dass LIFE gebaut wird, noch dass jede bewohnte Welt eindeutig erkannt werden könnte. Er zeigt aber, dass das geplante Messprinzip in simulierten LIFE-Beobachtungen mit realen Erddaten die zentralen Eigenschaften unseres Planeten zurückgewinnen kann.

NICE zeigt, wie weit die Technik ist

Eine Schlüsselfrage lautet nun, ob die nötige Sternlicht-Unterdrückung mit ausreichender Stabilität und Empfindlichkeit technisch gelingt. Dafür baut die ETH den Laborprüfstand NICE – das «Nulling Interferometry Cryogenic Experiment». Langfristig soll er bei 15 Kelvin, also rund minus 258 Grad Celsius, arbeiten. Die extreme Kälte reduziert die störende Wärmestrahlung des Instruments selbst.

Auf ihrer aktuellen Projektseite nennt die ETH einen momentanen Nullwert von ungefähr 2 × 10−5 und einen über eine Minute gemittelten Wert von etwa 5 × 10−5. Je kleiner dieser Wert, desto vollständiger wird das Sternenlicht unterdrückt. Angestrebt werden weniger als 10−5 sowie eine Stabilität der optischen Weglänge von unter einem Nanometer.