Das von der Erde in Richtung Mond reflektierte Sonnenlicht enthält Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre: Bei Neumond konnten Forscher die Elemente Natrium, Kalzium und Kalium nachweisen.
Trotz der enormen Entfernungen im Weltraum lässt sich von der Erde aus die Zusammensetzung der Atmosphären von Exoplaneten mit einer speziellen Methode analysieren: Zieht ein solcher Exoplanet vor seinem Stern vorüber, passiert ein Teil des Sternenlichts die Gashülle des Planeten, das dabei geringfügig aber in charakteristischer Weise verändert wird. Astrophysiker bezeichnen diese Messung der atmosphärischen Bestandteile als Transmissionsspektroskopie. Sie ist eine relativ neue, aber erfolgsversprechende Methode. Bereits eine Vielzahl von Exoplanet-Transiten ließen sich damit nachweisen.
"Die Untersuchungen finden jedoch bisher nur Anwendung bei übergroßen Jupiter-ähnlichen Planeten, die ihren Stern sehr nah umkreisen. Noch mehr sind wir freilich an Transits von erdähnlichen Planeten interessiert und daran, ob wir komplexere molekulare Signaturen, die möglicherweise sogar auf Leben hindeuten, nachweisen können", sagt Klaus Strassmeier vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam (AIP).
Test im astronomischen Vorgarten
Der Astrophysiker ist Hauptautor einer nun im Fachjournal "Astronomy & Astrophysics" veröffentlichten Studie, bei der diese Methode im Erde-Mond-System zum Einsatz kam. "Eine totale Mondfinsternis, die sich von unserem Mond aus gesehen als totale Sonnenfinsternis darstellt, ist nichts anderes als ein Transit unserer eigenen Erde vor der Sonnenscheibe und indirekt beobachtbar", erklärt Strassmeier.
Das Sonnenlicht, das durch die Erdatmosphäre dringt, bevor es der Mond zurück zur Erde reflektiert, wird als Erdschein bezeichnet. Die biologische Aktivität auf der Erde hat viele Nebenprodukte wie Sauerstoff und Ozon in Verbindung mit Wasserdampf, Methan und Kohlendioxid. Diese biogenen Moleküle lassen sich in den Atmosphären anderer Planeten bei optischen und nahinfraroten Wellenlängen nachweisen.
Erdscheinbeobachtungen erlauben, die Existenz biogener und verwandter chemischer Elemente mit denselben Techniken für einen bewohnbaren Planeten zu überprüfen, die ansonsten zur Beobachtung von Sternen mit sehr großen Planeten verwendet werden. Sie sind somit ein idealer Test für zukünftige Studien entfernter erdähnlicher Planeten mit der neuen Generation extrem großer Teleskope.
Aufwendige Beobachtungen
Im Januar 2019 ereignete sich eine totale Mondfinsternis, bei der sich der Mond sich um das 20.000-fache verdunkelte. Für die Beobachtungen wurde daher die Lichtsammelfähigkeit des 11,8 Meter Large Binocular Teleskops (LBT) in Arizona benötigt. Darüber hinaus war die hohe spektrale Auflösung des Instruments PEPSI (Potsdam Echelle Polarimetric and Spectroscopic Instrument) erforderlich, um den erwarteten Einfluss der Erdatmosphäre vom normalen Sonnenspektrum zu trennen.
"PEPSI hat bereits bedeutende Beiträge zur Untersuchung von Exoplaneten geleistet, indem es deren Transit vor ihrer Sonne beobachtet hat", sagt Christian Veillet, Direktor des LBT-Observatoriums. "Die Beobachtung der Erde als Exoplanet dank einer totalen Mondfinsternis vom LBT-Standort in Arizona und die Ergänzung von Polarimetrie zur exquisiten Auflösung des PEPSI-Spektrographen führten zum Nachweis von Natrium, Kalzium und Kalium in der Erdatmosphäre." (red, 3.3.2020)