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Fachartikel sieht weiterhin Hinweise für Leben in der Venus-Atmosphäre/Erste private Venus-Mission (2023) hat nur fünf Minuten Zeit zur Suche nach Leben
Planet Venus. Copyright: JAXA/ ISAS/ DARTS/ Kevin M. Gill
Boulder (USA) – Die Debatte um den potenziellen Biomarker Phosphin in der Venus-Atmosphäre streiten sich die Verfechter der konservativen Lehrmeinung von einer lebensfeindlichen Venus mit jenen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die ergebnisoffen die Indizien und Beweise bewerten und überprüfen wollen, bevor sie Leben in den gemäßigten Wolkenschichten der Venus ausschließen. Ein aktueller Fachartikel stützt nun den letzteren Ansatz.
In ihrem vorab via ArXiv.org veröffentlichten Artikel (und in einer zukünftigen Ausgabe The der „Aerospace MDPI Special Issue “The Search for Signs of Life on Venus: Science Objectives and Mission Designs”) erläutern Carol E. Cleland von der University of Colorado und Paul B. Rimmer von der britischen University of Cambridge, dass sie in der Detektion von mehreren Anomalien in der Venus-Atmosphäre durchaus Belege für bislang unbekannte Prozesse und Systeme sehen, die außerhalb des bisherigen Bildes von der Zusammensetzung der Venus-Atmosphäre anzusiedeln sind.
Konkret untersuchen die beiden Forschenden die Detektion von Ammoniak und Phosphin der Atmosphäre unseres höllischen Nachbarplaneten, geben eine Übersicht über mögliche Interpretationen und Konsequenzen dieser Nachweise und stellen fest: „Diese Anomalien widersprechen der Annahme und dem Glauben, dass die Venus kein Leben beherbergen könnte.“
„In unserem Artikel diskutieren wir zwei von mehreren Anomalien in der Atmosphäre der Venus und zeigen, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft auf diese Anomalien in der gleichen Art und Weise reagiert, wie sie auch schon zuvor auf anomale Phänomene reagiert hat – Phänomene, die für das, wofür sie schlussendlich tatsächlich standen, zuvor nicht anerkannt worden waren, die aber danach wichtige wissenschaftliche Entdeckungen vorwegnahmen.“
Hintergrund Phosphin ist ein Molekül aus einem Phosphor- und drei Wasserstoffatomen, die normalerweise nicht zusammenkommen. Es erfordert enorme Energiemengen, beispielsweise in den extremen Umgebungen von Jupiter und Saturn, die Atome mit genügend Kraft zu zerschlagen, um ihre natürliche Abneigung zu überwinden. Tatsächlich wurde Phosphin bereits in den 1970er Jahren in den Atmosphären von Jupiter und Saturn, also von großen Gasplaneten – entdeckt. Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Molekül im Innern dieser Gasriesen regelrecht zusammengeballt wurde und, wie Sousa-Silva und Kollegen es beschreiben, “von gewaltigen Konvektions-Stürmen in Planetengröße gewaltsam erzeugt wurde.
Weitere erklären die Autoren: „Wir sind davon überzeugt, dass dieser Umstand ein Hinweis dafür sein kann, dass uns auch diese Venus-Anomalien zu wichtigen neuen Entdeckungen über die planetare Umgebung der Venus und vielleicht sogar über außerirdisches Leben führen könnten.“
Neben der heiß debattierten Entdeckung von Phosphin untersuchen die beiden Autoren und Autorinnen auch den Nachweis von Ammoniak in sowie ein chemisches Ungleichgewicht der Venusatmosphäre als potenzielle Biomarker, also Hinweise für Leben. Auch die Zusammensetzung weist ein entsprechendes chemisches Ungleichgewicht auf. Der Grund: biologisches Leben. Tatsächlich sind einige Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Meinung, dass der Nachweis eines solchen chemischen Disequilibrums in der Atmosphäre eines Felsplaneten eines der besten Anzeichen für dortiges Leben wäre.
Konkret geht es zum einen um den beobachteten Abbau von Schwefel und Wasser in den Wolken der Venus, zudem um das merkwürdige Verhalten von Schwefel in der Nähe der Planetenoberfläche und H20 in den Wolken, die Detektion von Sauerstoff, Wasserstoffsulfiden und Methan in den Venus-Wolken, sowie der Nichtnachweis von Sauerstoff oberhalb besagter Wolken und der Abbau von das Carbonylsulfiden unterhalb der Wolken, der Nachweis von schwefelhaltigen Wolken unterhalb der Schwefel-Wolken. Auch die mineralische Zusammensetzung der Oberfläche scheint nicht mit dem Zustand der tieferen Atmosphäre übereinzustimmen.
Statt vermeintlich mit bisherigen Vorstellungen nicht übereinstimmende Ergebnisse zu ignorieren oder in Abrede zu stellen, sollten sie vielmehr mit Interesse kritisch untersucht werden, fordern die Autoren.
Abschließend bemerken Rimmer und Cleland, die tiefgreifenden Auswirkungen, die der Nachweis von Leben als Erklärung für die Venus-Anomalien für unser Verständnis von Leben haben würde: Sollte Leben auf einer höllenartigen Welt die der Venus existieren kann, so könnte es fast überall existieren und selbst der Beweis eines nicht-biologischen Ursprungs der Anomalien wäre ein Gewinn für unser Wissen.
View larger. | Venus in ultraviolet. Japan’s Akatsuki spacecraft took this image on December 23, 2016. A new paper discusses various anomalies – things that are different, abnormal, peculiar, or not easily classified – and whether living things in the clouds of Venus could explain them. Is there life on Venus? Image via JAXA/ ISAS/ DARTS/ Kevin M. Gill/ Wikipedia (Attribution 2.0 Generic (CC BY 2.0).
Life on Venus?
We are of the opinion that several anomalies in the atmosphere of Venus provide evidence of yet-unknown processes and systems … The investigation of these anomalies on Venus should be open to [a] wide range of explanations, including unknown biological activity.
So begins a new paper from researchers in the U.S. and U.K. – released November 14, 2022 – related to the continuing saga of possible life in the clouds of Venus. The paper looks at how phosphine is just one of various peculiar features in Venus’ clouds that airborne microorganisms – tiny living creatures such as alien bacteria or fungi – might explain.
The researchers also consider the anomalies in context of previous assumptions about Venus’ atmosphere and past discoveries in astronomy, biology and geology.
The new paper, by Carol Cleland (University of Colorado, Boulder) and Paul Rimmer (University of Cambridge), is available on arXiv. The Aerospace (MDPI) Special Issue “The Search for Signs of Life on Venus: Science Objectives and Mission Designs,” has accepted it for publication. The researchers explain:
We provide an overview of two anomalies, the tentative detection of ammonia and phosphine in Venus’s atmosphere. These anomalies fly in the face of the tacit assumption that the atmosphere of Venus must be in chemical redox equilibrium, an assumption connected to the belief that Venus is lifeless.
The discovery of phosphine
Jane Greaves and her colleagues at Cardiff University in the U.K. first announced the discovery of phosphine in the atmosphere of Venus in September 2020. The announcement ignited both excitement and skepticism among scientists.
And the debate of phosphine’s origins – or if it’s even actually there at all – is still ongoing. After all, on Earth, phosphine in the air is associated with life processes. So scientists, who are understandably fascinated by the possibility of life processes on Venus, have published several additional papers since the original discovery.
The subsequent papers are both pro and con on the subject of whether phosphine exists in Venus’ clouds, and, if so, whether it indicates life.
More anomalies
While phosphine is the most recent anomalous discovery in Venus’ atmosphere, there’s also other weird chemistry going on there, chemistry that could even point to life signs, or, as scientists say, potential biosignatures. This includes the presence of ammonia, and the fact that Venus’ atmosphere is seemingly somehow in what scientists call redox (chemical) disequilibrium.
On Earth, biological life causes chemical disequilibrium in our atmosphere. The current paper focuses on the ammonia (NH3), phosphine and redox disequilibrium (redox indicates a specific kind of chemical disequilibrium).
Scientists say that finding chemical disequilibrium in the atmosphere of a rocky exoplanet would be one of the best possible signs of life on that planet. But what about Venus? Cleland and Rimmer note that:
Few astrobiologists anticipated finding such evidence on Earth’s next-door neighbor, Venus.
Anomalous phenomena observed in the atmosphere of Venus include the depletion of sulfur and water in the clouds of Venus, the strange behavior of SO2 [sulphur] near the surface and H2O in the clouds, the detection of O2 [oxygen], H2S [hydrogen sulphide] and CH4 [methane] in the clouds and non-detection of O2 [oxygen] above the clouds … the depletion of OCS [carbonyl sulphide] below the clouds, the detection of phosphorous clouds below sulfur clouds and a host of phenomena in the surface mineralogy: the mineral composition does not appear to be in equilibrium with the lower atmosphere.
The researchers present their case that at least some of these anomalies might be explained by biological processes.
The strange case of ammonia
The presence of ammonia is one of the most interesting Venusian anomalies. According to the current standard understanding of Venus’ atmosphere, it shouldn’t be there.
The Soviet Venera 8 probe found evidence of ammonia in 1972. The data suggested its presence at concentrations of 100-1000 ppm (parts per million), at an altitude of between 19 and 28 miles (30 and 45 km). Some other scientists dismissed the findings, however. They said that the data were “inconsistent with the observed abundances of other gases in the Venus atmosphere.” Ammonia shouldn’t be in Venus’ atmosphere. Otherwise, it would mean that the planet’s atmosphere must be in disequilibrium.
That’s a big deal, since on Earth, at least, the presence of life is what causes a similar atmospheric disequilibrium.
Later, in 1978, the Pioneer Venus multiprobe also found signs of ammonia. However, in light of the previous dismissal, these findings were either ignored or just not noticed, the researchers behind the current paper say. So, if the ammonia is there, then is the disequilibrium caused by microorganisms or unknown abiotic (non-life) chemical reactions?
The phosphine debate now
The Venusian phosphine is still a subject of much debate. Greaves and her colleagues made the initial observations using the Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array (ALMA) and the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT). In a new paper, announced on November 21, 2022, Greaves and her team maintain that the phosphine is really there. The paper, available on arXiv, discusses an analysis of Venus’ atmosphere with data from the Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy (SOFIA) telescope. Based on their discussion on six phosphine results, they say:
We suggest Venusian phosphine is indeed present, and so merits further work on models of its origins.
Recent re-analysis of data from the old Pioneer Venus mission also supports the existence of the phosphine.
Phosphine above Venus’ clouds?
Other scientists say that if the phosphine is there, it must be above the clouds, not in them. But if so, it would be even more unstable, and need to be constantly replenished somehow. Known chemical processes, both biological and non-biological, would have a hard time explaining phosphine above the clouds. And indeed, Cleland and Rimmer say:
If there is observable [phosphine] above the clouds of Venus, we are left with two explanations: life-as-we-don’t-know-it and nonlife-as-we-don’t-know-it. Both of these possibilities should be seriously considered, and neither should be clearly favored over the other until there’s more data. Instead, more predictions should be made, and more data should be gathered, especially in situ data from upcoming missions.
Scientists have proposed some possible non-biological explanations for the phosphine, such as volcanoes. But so far, none of them adequately explain all the observations.
View larger. | Artist’s illustration of the molecule phosphine in Venus’ atmosphere. Phosphine is one of the key anomalies discussed in the new paper. Image via ESO/ M. Kornmesser/ L. Calçada & NASA/ JPL/ Caltech.
Anomalies in scientific discovery
The researchers argue that anomalies – phenomena that are surprising or unexpected – should be acknowledged, not ignored. They are also not just “failed predictions” as often described, but play central roles in the process of scientific discovery. As the paper says:
While a failed prediction may eventually be recognized as anomalous, many anomalies do not represent failed predictions. Anomalies are surprising because they fall outside the scope of expectations (articulated in prediction and explanation) induced by widely accepted theoretical frameworks.
So, with Venus as a test case, what is the best way forward for researchers? Cleland said:
We can best explore astrobiologically by roaming widely and keeping a sharp eye out for anomalous order of any kind … Such anomalous order will indicate either an interesting nonbiological process that we need to learn about† or that we have at last found new life.
Biological anomalies on Venus: What if?
If any of these anomalies really are the result of life, it would have a profound effect on our understanding of how life evolves on planets. If life can exist on a hellish a world as Venus, where else might it be? Confirmation of such life would open up a universe of possibilities. But even if these anomalies are non-biological in origin, that would still expand our scientific knowledge overall.
Bottom line: Is there life in Venus’ atmosphere? Researchers in the U.S. and U.K. make the case for ammonia, phosphine and other potential biological anomalies on Venus.
Erste private Venus-Mission hat nur fünf Minuten Zeit zur Suche nach Leben
Die kostengünstige Mission von Rocket Lab, die bereits 2023 starten soll, wird kurz sein, könnte aber die Suche nach außerirdischer Biologie verändern.
(Bild: Rocket Lab)
Während die Covid-Pandemie Ende 2020 in vollem Gange war, gab es eine kurze Ablenkung und die Aufmerksamkeit der interessierten Öffentlichkeit richtete sich auf unseren Nachbarplaneten Venus. Astronomen hatten in den Wolken der Venus eine verblüffende Entdeckung gemacht: ein Gas namens Phosphin, das auf der Erde durch biologische Prozesse erzeugt wird. Spekulationen kursierten und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bemühten sich zu verstehen, was sie da sahen.
Nun könnte eine Mission, die im nächsten Jahr gestartet werden soll, endlich die Frage beantworten, die die Astronomen seither beschäftigt: Könnte mikrobielles Leben das Gas ausstoßen?
Obwohl spätere Studien den Nachweis von Phosphin in Frage stellten, hat die erste Studie das Interesse an der Venus neu entfacht. In der Folge wählten die NASA und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) drei neue Missionen aus, die zu dem Planeten reisen und unter anderem untersuchen sollen, ob die Bedingungen auf der Venus in der Vergangenheit Leben ermöglicht haben könnten. Auch China und Indien haben Pläne, Missionen zur Venus zu schicken. „Phosphin hat uns alle daran erinnert, wie schlecht [dieser Planet] charakterisiert ist“, sagt Colin Wilson von der Universität Oxford, einer der stellvertretenden leitenden Wissenschaftler der europäischen Venus-Mission EnVision.
Die meisten dieser Missionen würden jedoch erst in den späteren 2020er oder 2030er Jahren Ergebnisse liefern. Die Astronomen wollten aber jetzt Antworten. Und wie es der Zufall wollte, war dies auch bei Peter Beck, dem Geschäftsführer des neuseeländischen Unternehmens Rocket Lab, der Fall. Beck, der seit langem von der Venus fasziniert ist. An ihn trat eine Gruppe von MIT-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mit einer Idee heran: Eine kühne Mission mit einer Rakete des Unternehmens sollte schon viel früher nach Leben auf der Venus suchen – mit einem Start im Jahr 2023. Ein Ersatzstartfenster steht im Januar 2025 zur Verfügung.
Bedingungen auf der Venus
Phosphin hin oder her: Wenn es auf der Venus Leben gibt, dann möglicherweise in Form von Mikroben in winzigen Schwefelsäuretröpfchen, die hoch über dem Planeten schweben. Während die Oberfläche weitgehend unwirtlich erscheint, mit Temperaturen, die heiß genug sind, um Blei zu schmelzen, und einem Druck, der dem am Boden der Ozeane auf der Erde ähnelt, sind die Bedingungen in 45 bis 60 Kilometern Höhe über dem Boden in den Wolken der Venus deutlich gemäßigter.
„Ich hatte immer das Gefühl, dass die Venus einen schweren Stand hat“, sagt RocketLab-CEO Beck. „Die Entdeckung von Phosphin war der Auslöser. Wir müssen auf die Venus, um nach Leben zu suchen.“
Diese Sonde wird derzeit von einem Team von weniger als 30 Personen unter der Leitung von Sara Seager am MIT entwickelt. Sie soll bereits im Mai 2023 starten und in fünf Monaten die Venus erreichen. Ankunft also im Oktober 2023. Mit weniger als 10 Millionen Dollar ist die von Rocket Lab, dem MIT und nicht näher genannten Unterstützern finanzierte Mission risikoreich, aber kostengünstig – nur zwei Prozent des Preises, den die NASA für jede der Venus-Missionen veranschlagt.
„Dies ist das Einfachste, Billigste und Beste, was man tun kann, um eine große Entdeckung zu machen“, sagt Seager.
Venus-Sonde in der Größe eines Basketballkorbes
Die Sonde ist klein, wiegt nur ca. 20 Kilogramm und misst 38 Zentimeter im Durchmesser, etwas größer als ein Basketballkorb. Ihr kegelförmiges Design ist an der Vorderseite mit einem Hitzeschild versehen, der die Hauptlast der intensiven Hitze abfängt, die entsteht, wenn die Sonde – die vom Photon-Raumschiff vor der Ankunft freigesetzt wird – mit 40.000 Kilometern pro Stunde in die Venusatmosphäre eintritt.
Im Inneren der Sonde befindet sich ein einziges Instrument, das nur ein Kilogramm wiegt. Es gibt keine Kamera an Bord, die Bilder aufnehmen könnte, während die Sonde durch die Venuswolken stürzt – es fehlt schlicht die Funkleistung oder die Zeit, um viel zur Erde zurück zu senden. „Wir müssen mit den Daten, die wir zurücksenden, sehr, sehr sparsam umgehen“, sagt Beck.
Es geht den Forscherinnen und Forschern jedoch nicht um Bilder, sondern vielmehr um eine Nahaufnahme der Wolken der Venus. Dazu dient ein autofluoreszierendes Nephelometer, ein Gerät, das Tröpfchen in der Venusatmosphäre mit einem ultravioletten Laser bestrahlt, um die Zusammensetzung der Moleküle in ihnen zu bestimmen. Beim Abstieg der Sonde wird der Laser durch ein kleines Fenster nach außen strahlen. Er wird komplexe Moleküle – möglicherweise auch organische Verbindungen – in den Tröpfchen anregen, sodass sie fluoreszieren.
„Wir werden nach organischen Partikeln im Inneren der Wolkentröpfchen suchen“, sagt Seager. Eine solche Entdeckung wäre kein Beweis für Leben – organische Moleküle können auf eine Weise entstehen, die nichts mit biologischen Prozessen zu tun hat. Aber wenn sie gefunden würden, wäre das ein Schritt „in Richtung einer möglichen Bewohnbarkeit der Venus“, meint Seager.
Direkte Messungen in der Atmosphäre sind der einzige Weg nach den Arten von Leben zu suchen, von denen wir glauben, dass sie auf der Venus noch existieren könnten. Raumsonden in der Umlaufbahn können uns viel über die allgemeinen Merkmale des Planeten sagen, aber um ihn wirklich zu verstehen, müssen wir Sonden schicken, die ihn aus der Nähe untersuchen. Der Versuch des Rocket Lab und des MIT ist der erste, bei dem es um Leben geht, wenngleich die Sowjetunion und die USA bereits im 20. Jahrhundert Sonden zur Venus schickten.
Wenig Zeit in den Venuswolken
Die Mission wird nicht selbst nach Phosphin suchen, weil ein entsprechendes Instrument nicht in die Sonde passen würde, sagt Seager. Aber das könnte eine Aufgabe für die DAVINCI+-Mission der NASA sein, die im Jahr 2029 starten soll.
Die Rocket Lab-MIT-Mission wird nur kurz sein. Die Sonde wird nur fünf Minuten Zeit haben, um ihr Experiment in den Wolken der Venus durchzuführen und ihre Daten per Funk an die Erde zurückzusenden, während sie auf die Oberfläche stürzt. Falls die Sonde so lange durchhält, könnten unter den Wolken weitere Daten aufgenommen werden. Eine Stunde nach Eintritt in die Venusatmosphäre wird die Sonde auf dem Boden aufschlagen. Die Kommunikation wird wahrscheinlich schon vorher abreißen.
Jane Greaves, die die erste Studie über Phosphin auf der Venus leitete, sagt, sie freue sich auf die Mission: „Ich bin sehr aufgeregt.“ Und sie fügt hinzu, dass sie eine „große Chance“ hat, organisches Material zu entdecken, was „bedeuten könnte, dass es dort Leben gibt“.
Seager hofft, dass dies nur der Anfang ist. Ihr Team plant zukünftige Missionen zur Venus, die die Ergebnisse dieses ersten Einblicks in die Atmosphäre weiterverfolgen können. Eine Idee ist, Ballons in den Wolken zu platzieren, wie die sowjetischen Vega-Ballons in den 1980er Jahren, mit denen längere Untersuchungen durchgeführt werden könnten.
„Wir brauchen mehr Zeit in den Wolken“, sagt Seager – idealerweise mit etwas Größerem, das mehr Instrumente an Bord hat. „Eine Stunde würde ausreichen, um nach komplexen Molekülen zu suchen und nicht nur deren Abdruck zu sehen.“
Diese erste Mission könnte zeigen, welche Rolle private Unternehmen in der Planetenforschung spielen können. Während Agenturen wie die NASA weiterhin milliardenschwere Maschinen ins All schicken, können Rocket Lab und andere eine Nische für kleinere Fahrzeuge füllen, vielleicht als schnelle Reaktion auf Entdeckungen wie Phosphin auf der Venus.
Könnte dieser kleine, aber mächtige Versuch der erste sein, der Beweise für außerirdisches Leben im Universum findet? „Die Chancen sind gering“, sagt Beck. „Aber es ist einen Versuch wert.“
Christian Dauck 