Leben in der Höllenwelt?

Doch eine Phosphan-Bildung in der Venus-Atmosphäre erscheint als äußerst schwierig. Und weil die Moleküle durch chemische Reaktionen und die Ultraviolettstrahlung der Sonne im Verlauf weniger Stunden bis Jahre – je nach Höhe – abgebaut werden, müssen sie ständig nachgeliefert werden. Die Forscher um Jane Greaves und William Bains hatten 74 potenzielle Phosphan-Produktionswege in Betracht gezogen – chemische Reaktionen im Gas und in den Wolken, mit dem Schwefel-Dunst, mit Mineralien im Staub und auf der Oberfläche. Kein Prozess lieferte genug Phosphan, um die Messwerte zu erklären. Daher muss das Phosphan entweder ständig durch bislang unbekannte geo- oder photochemische Reaktionsketten gebildet werden oder aber durch biochemische Prozesse in den Wolken.

Stoffwechsel-Spekulationen

Mikroorganismen könnten Phosphan beispielsweise mithilfe von Eisen-Schwefel-Proteinen relativ einfach erzeugen. Neben der photosynthetisch nutzbaren Sonnenenergie wäre für den Antrieb eines Stoffwechsels auch das leichte thermodynamische Ungleichgewicht in der Venus-Atmosphäre selbst ausreichend: Denn aus der Koexistenz von oxidierendem Schwefeldioxid und Sauerstoff sowie von reduzierendem Schwefelwasserstoff und vielleicht auch Monophosphan lässt sich chemische Energie umsetzen. William Bains vom Massachusetts Institute of Technology und seinen Kollegen zufolge könnten die Mikroben Energie auch aus der Reduktion von Phosphat (HPO42–) zu Phosphit (HPO32–) gewinnen, wobei PH3 als Nebenprodukt entstünde.

Für eine biologische Erklärung spricht außerdem, dass das Phosphan nicht gleichmäßig in der Atmosphäre verteilt war, sondern an den Polregionen fehlte und hauptsächlich in mittleren Breiten vorkam, wo die Luftzirkulationsmuster die stabilsten Umweltbedingungen für Leben böten. Die unteren Venus-Wolken wären mit Temperaturen zwischen 40 und 90 Grad Celsius sowie einem Druck um 1 Bar sogar für thermophile irdische Mikroben lebensfreundlich. Da es hier kaum Wasser gibt, müssten sie sich allerdings in Aerosolen aufhalten. Diese können monatelang in der geschlossenen Wolkendecke flottieren. Dazu hatte ein siebenköpfiges Team um die Planetenwissenschaftlerin Sara Seager vom Massachusetts Institute of Technology – darunter auch Jane Greaves und William Bains – bereits im Februar 2020 einen hypothetischen Lebenszyklus vorgeschlagen (siehe bild der wissenschaft 12/2020, „Lebensfreundliche Nachbarwelt“).

„Kein irdischer Organismus könnte der extrem trockenen und sauren Umgebung ohne Schutz widerstehen. Entweder muss es Anpassungen geben, die keine Analogie zur irdischen Biologie haben, oder sogar eine andersartige Biochemie“, beschreibt Dirk Schulze-Makuch von der Technischen Universität Berlin die Situation. Er hatte bereits 2004 einen inzwischen vielbeachteten Fachartikel über Leben in der Venus-Atmosphäre veröffentlicht. Nun schlägt er vor, zusätzlich nach Spektrallinien von Diphosphan (P2H4) in der Atmosphäre zu suchen, das als Zwischenprodukt der photolytischen Reaktion von Phosphan zu Phosphor und Wasserstoff entsteht und deshalb ebenfalls vorhanden sein muss, wenn Phosphan existiert.

Kontroverse Phosphan-Messung

Die kühnen Spekulationen reizen freilich zu Kritik und Widerspruch. In den letzten Monaten kam es deshalb zu heftigen Meinungsverschiedenheiten. Die beiden Grundfragen: Wurde wirklich eine so große Menge an Monophosphan gemessen? Und falls das Signal real ist: Stammt es vom Stoffwechsel venusianischer Mikroorganismen?

Ob es Monophosphan in der Venus-Atmosphäre gibt, ist also das eine Problem – das andere, wodurch es gegebenenfalls erzeugt wird. Ein biogener Ursprung wäre nämlich selbst durch einen kaum bezweifelbaren Nachweis der Phosphor-Wasserstoff-Moleküle in großer Menge nicht erwiesen. Nur weil Phosphan auf der Erde durch Bakterien erzeugt wird, muss das auf der andersartigen Venus nicht auch der Fall sein. Und bloß weil keine abiotischen Quellen auf der Nachbarwelt bekannt sind – also chemische Reaktionen in hinreichender Häufigkeit –, impliziert dies kein Lebensprodukt. Momentan fokussiert sich die Kontroverse freilich auf das Problem, ob es überhaupt signifikante Phosphan-Mengen gibt.

Einerseits haben die Forscherinnen und Forscher weitere Messungen publiziert, die nicht so ganz zu ihren früheren passen, und sie haben die ursprünglichen Daten noch einmal analysiert und korrigieren müssen, was die Signifikanz der Resultate verringert. Andererseits haben mehrere unabhängige Gruppen von Wissenschaftlern den Phosphan-Nachweis nicht nachvollziehen beziehungsweise bestätigen können, oder sie haben alternative Erklärungen vorgeschlagen. Diese Kritik meinen wiederum Jane Greaves und ihr Team widerlegt zu haben. Unterstützung kam durch die neue Auswertung alter Daten einer Venus-Sonde. Die Situation ist also unübersichtlich. Der angebliche Phosphan-Nachweis bleibt vorläufig auf dem Prüfstand – von seiner umstrittenen Interpretation ganz abgesehen.

Kampf gegen den Zufall

Anstoß des interplanetarischen Rummels waren Radiowellen-Messungen. Sie erfolgten im Juni 2017 am James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) auf Hawaii und noch genauer im März 2019 am Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile. Bei 1,123 Millimeter Wellenlänge beziehungsweise 266,94 Gigahertz Frequenz fand das Astronomenteam um Jane Greaves überraschenderweise eine Absorptionslinie, die von Phosphan zu stammen scheint – aus der oberen Wolkenschicht, mindestens 55 Kilometer über dem Boden. Die Konzentration betrug bis zu 20 Anteile pro Milliarde (oder 0,000002 Prozent) – etwa tausendmal so viel wie in der Erdatmosphäre.

Hinter dem Nachweis der Spektrallinie steckt freilich eine Menge Datenverarbeitung. Denn sowohl Effekte im Teleskop und in den Detektoren als auch in den turbulenten Atmosphären der Erde und der für die empfindlichen Spektrographen enorm leuchtkräftigen Venus sorgen für ein störendes Rauschen, das herausgerechnet werden muss. Die Rohdaten gleichen den Kräuselungen einer aufgewühlten Pfütze, die ein kleines Steinchen darunter verbergen könnten.

Um ein echtes Signal im Wirrwarr der Schwankungen zu erspähen, werden üblicherweise Korrekturformeln eingesetzt. Das Team um Jane Greaves verwendete ein Polynom zwölfter Ordnung (also eine Gleichung mit einer Konstanten und zwölf Termen mit Potenzen von eins bis zwölf). Problematisch dabei ist, dass eventuell mehr Zufallsrauschen subtrahiert wird als vorhanden ist, sodass quasi Spektrallinien aus den Störungen auftauchen, die tatsächlich gar nicht da sind. Aus dem Wellenwirrwarr der Pfütze würde man ein Steinchen erschließen, das es nicht gibt. Forscher nennen das „falsch positiv“.

Genau diesen Verdacht äußerte ein unabhängiges Wissenschaftlerteam um Ignas A. G. Snellen von der niederländischen Universität Leiden. Beim Einsatz einfacherer Korrekturformeln sei das von ALMA gemessene Phosphan-Signal mit nur zwei Sigma nicht signifikant. Die Astronomen wiesen außerdem nach, dass mit der Datenfilterung des Greaves-Teams mindestens fünf vermeintliche andere Spektrallinien aus den Messungen der Venus-Atmosphäre herausdestilliert werden könnten, die in Wirklichkeit nicht da sind. Die Schlussfolgerung von Snellen und seinen Kollegen: Die Phosphan-Signatur ist ein mathematisches Artefakt, gleichsam die Verstärkung einer zufälligen Schwankung, und somit falsch positiv.

Erschwerend kam hinzu, dass ALMA-Wissenschaftler die ursprünglichen Daten neu analysiert und kalibriert hatten. „Das geschieht nicht oft, kommt aber vor“, sagt Martin Zwaan vom ALMA-Regionalzentrum der Europäischen Südsternwarte in Garching bei München. Die revidierte Eichung konnte das Rauschen der Messungen weiter reduzieren. Doch das macht das mutmaßliche Phosphan-Signal nicht deutlicher – im Gegenteil.

So konnten Alex Akins vom Jet Propulsion Laboratory des California Institute of Technology und drei amerikanische Kollegen zwar die Phosphan-Linie in den ursprünglichen ALMA-Daten mit den Analyseprozeduren des Greaves-Teams nachvollziehen. Sie fanden aber kein Signal in den optimierten Daten. Daraus schlossen sie, dass die Phosphor-Wasserstoff-Moleküle nicht vorhanden sind.

Konkurrenz und Konfusion

Auch die JCMT-Messungen gerieten unter Beschuss. Sie seien entweder kontaminiert oder eine Täuschung, so die Kritiker.

Auf die erste Schwierigkeit wies Geronimo Villanueva vom Goddard Space Flight Center der NASA mit seinen Kollegen hin. Die Astronomen deuteten die Absorptionslinie der JCMT-Messungen als eine Signatur von Schwefeldioxid (SO2), nicht von Phosphan. Aus diesem Gas bestehen die Venus-Wolken überwiegend, und es absorbiert die Strahlung bei fast derselben Frequenz (267,5 Gigahertz) beziehungsweise Wellenlänge im Millimeterbereich. Eine Konzentration von 100 Teilen pro Milliarde Teile könnte die vom JCMT gemessene Absorptionslinie erklären. Das ist nicht unrealistisch, da die europäische Raumsonde Venus Express zwischen 2006 und 2014 zuweilen solche hohen Konzentrationen gemessen hat.

„SO2 ist eine plausible Alternative“, sagt Villanueva, bemängelte die mathematisch aufwendigen Analyseprozeduren von Jane Greaves’ Team und beendete die Zusammenfassung seines Artikels sogar mit dem Vorschlag, die Forscher sollten die Arbeit zurückziehen. Diese für wissenschaftliche Publikationen äußerst aggressive Formulierung zog viel Kritik nach sich, weswegen sich Villanueva offiziell entschuldigt hat.

Schwefeldioxid haben nun auch Alex Akins vom Jet Propulsion Laboratory und neun amerikanische Kollegen im Verdacht. Sie argumentierten mit Modellrechnungen, gerade veröffentlicht in den Astrophysical Journal Letters, denen zufolge das Phosphan-Signal von SO2 in 80 Kilometer Höhe stamme – also nicht von den Wolken der Venus, sondern von ihrer Mesosphäre. Das sei vereinbar mit den JCMT-Messungen und hätte von ALMA nicht nachgewiesen werden können. Phosphan in dieser Höhe schließen die Forscher aus, weil es hier rasch abgebaut würde – es müsste dann in tieferen Schichten produziert werden mit etwa der 100-fachen Menge des gesamten auf der Erde durch Mikroben und Pflanzen photosynthetisch erzeugten Sauerstoffs.

Mark A. Thompson von der University of Hertfordshire im britischen Hatfield nahm sich die JCMT-Daten ebenfalls vor. Er wendete verschiedene Analysetechniken an und fand dabei kein signifikantes Signal von Phosphan – aber auch nicht von Schwefeldioxid. Der Astrophysiker hält den Nachweis daher für falsch positiv.

Über das SO2-Defizit hatte sich schon Greaves’ Team gewundert. Britischen Forschern um Paul B. Rimmer von der Cambridge University zufolge lässt es sich vielleicht dadurch erklären, dass das Gas mit salzähnlichen Hydroxiden in den Schwefelsäure-Aerosolen reagiert. Aufschluss bringen kann jedoch wohl erst eine neue Atmosphären-Sonde.

Keine Wärmespur

Wenn unklar ist, ob eine bestimmte Spektralsignatur existiert und woher sie stammt, liegt es nahe, nach anderen Indizien der mutmaßlichen Quelle zu suchen – hier also nach weiteren Phosphan-Signaturen bei anderen Wellenlängen. Das ist inzwischen geschehen. Im Oktober 2020 wurden die Resultate in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics vorgestellt – von einem Team um Thérèse Encrenaz vom Pariser Observatorium, zu dem auch Jane Greaves und andere Autoren der September-Publikation gehören.

Die Messungen erfolgten bereits im März 2015 im thermischen Infrarot bei zehn Mikrometer Wellenlänge mit dem TEXES-Instrument (Texas Echelon Cross Echelle Spectrograph), einem Infrarotspektrographen am NASA-Teleskop IRTF (InfraRed Telescope Facility) auf dem Mauna Kea, Hawaii. (Noch vor der September-Publikation sollten weitere TEXES-Messungen stattfinden, mussten aufgrund der Corona-Pandemie aber ausgesetzt werden.)

„Wir fanden keine Spur von Phosphan“, sagt Thérèse Encrenaz. Die Konzentration der Moleküle muss daher geringer als fünf Anteile pro Milliarde sein, sonst hätte sie IRTF nachweisen können. Dies widerlegt die JCMT- und ALMA-Messungen nicht, bringt sie aber in Schwierigkeiten. Freilich könnte der Phosphan-Gehalt mit der Zeit variieren. Vielleicht war er also einfach höher, als die JCMT- und ALMA-Messungen gemacht worden, und bei den TEXES-Messungen zuvor niedriger. Schwankungen um den Faktor 10 würden den Widerspruch entschärfen.

Allerdings misst TEXES die Strahlung rund ein Dutzend Kilometer höher in der Venus-Atmosphäre als JMCT und ALMA. Wie das zusammenpasst, ist unklar. Hinzu kommt, dass ein detaillierteres Modell der Atmosphäre die Interpretation des Greaves-Teams infrage stellt. Doch Rechnungen von Andrew P. Lincowski und Victoria S. Meadows an der University of Washington in Seattle und ihren Kollegen legen nun nahe, dass Phosphan, wenn überhaupt, erst in rund 80 Kilometer Höhe von JCMT und ALMA gemessen würde – und Schwefeldioxid die bessere Erklärung für die Absorptionslinie sei.

Ein unabhängiges Indiz

Es wimmelt also von kritischen Einwänden. Für ein Fazit ist es noch zu früh. Letztlich werden wohl nur Präzisionsmessungen am Ort des Geschehens eine Entscheidung ermöglichen. In den Daten der Raumsonde Venus Express haben Wissenschaftler bei einer neuen Analyse jedenfalls keine Indizien gefunden.

Allerdings gibt es nun eine unabhängige, wenn auch nicht völlig eindeutige Phosphan-Bestätigung. Sie stammt von der US-amerikanischen Mission Pioneer-Venus 2, die am 9. Dezember 1978 mit vier Sonden in die Atmosphäre eintauchte. Auf einer war ein Massenspektrometer an Bord, mit dem die Bestandteile der Luft recht genau gemessen wurden. Doch Phosphor und seine Verbindungen wurden in den 1979 und 1980 publizierten Auswertungen nicht erwähnt.

Letztes Jahr haben Rakesh Mogul von der California State Polytechnic University in Pomona und drei Kollegen die Daten von Pioneer-Venus 2 noch einmal inspiziert. Im Bereich der Atommasseneinheiten zwischen 30,9 und 35,1 entdeckten die Wissenschaftler Hinweise auf PH3 und seine Abbauprodukte Phosphor, PH2 und PH sowie auf PH2D (bei dem ein Wasserstoff-Atom durch ein Deuterium-Atom ersetzt ist). „Die Daten passen zu einem Monophosphan-Vorkommen in 50 bis 60 Kilometer Höhe“, berichten die Forscher.

In 50 Kilometer Höhe könnte Pioneer-Venus 2 außerdem Spuren von Methan (CH4) gemessen haben, in einer Konzentration von 1000 Anteilen pro Milliarde. Das schrieben Thomas M. Donahue von der University of Michigan in Ann Arbor und R. Richard Hodges Jr. von der University of Texas in Dallas bereits 1993 in den Geophysical Research Letters. Allerdings hatten sie den Nachweis damals selbst infrage gestellt. Zudem ließ sich keine plausible Erklärung für das Vorhandensein des Kohlenwasserstoff-Moleküls finden. Es wäre ein weiterer atmosphärischer Biomarker – wie er auch beim Mars zurzeit für Irritationen sorgt (bild der wissenschaft 7/2020, „Methan, Meteoriten und Staubteufel“).

Die Revision schlägt zurück

Jane Greaves und ihr Team haben ihre Messungen inzwischen nochmals analysiert und dabei die neue Eichung der ALMA-Daten berücksichtigt. „Wir haben erneut eine Phosphan-Linie“, fasst die Astronomin das Ergebnis zusammen: Das Phosphan-Signal ist weiterhin zu erkennen, allerdings nicht mehr so stark wie zuvor gedacht: statt bis zu 20 Anteile pro Milliarde jetzt nur 1 bis 4 mit Spitzen von 5 bis 10 – im Durchschnitt nur ein Siebtel des ursprünglich publizierten Werts. Das mindert die statistische Signifikanz deutlich (statt 15 beträgt sie aber noch immer 4,8 Sigma, was eigentlich für eine Entdeckung ausreicht). Die Stärke variiert örtlich und vermutlich auch zeitlich. Das lässt den TEXES-Nichtnachweis weniger problematisch erscheinen.

An der JCMT-Messung halten Jane Greaves und ihr Team ebenfalls weiterhin fest. Die Hypothese, dass die Phosphan-Linie in Wirklichkeit von Schwefeldioxid stammt, weisen die Forscher zurück. Denn die Breiten der Spektrallinien passen nicht zusammen. Außerdem müssten dann rund 150 Anteile pro Milliarde vorhanden sein – mehr als allen bisherigen Messungen zufolge.

Zweifel, Zuversicht und neue Daten

„Ich denke, unser Team ist noch immer ziemlich überzeugt davon, dass das Signal real ist, dass es von Phosphan stammt, und dass es keine gute abiotische Erklärung gibt“, sagt Clara Sousa-Silva. Die Astrochemikerin am Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, gehört zum Autorenteam des aufsehenerregenden Artikels in Nature Astronomy. „Aber wir sind alle unsicher“, fügt sie hinzu. Jane Greaves geht es ähnlich.

Ob sich eine astrobiologische Sensation anbahnt, der Phosphan-Nachweis ein gewaltiger Trugschluss ist oder die Wahrheit irgendwo dazwischen liegt und dann zwar wissenschaftlich interessant sein mag, aber nicht gerade weltbewegend, lässt sich noch nicht abschätzen.

Doch Skepsis, Kritik und Gegenkritik sind ein Gütesiegel der Wissenschaft, kontroverse Messungen, Meinungen und Interpretationen typisch für den Fortschritt der Forschung. Außerordentliche Hypothesen erfordern außerordentliche Indizien. Letzte Sicherheiten gibt es ohnehin nicht – und gerade am Anfang neuer Erkenntnisse ist die Datenlage oft diffus.

Dabei muss es aber nicht bleiben. „Der nächste Schritt muss sein, das Phosphan-Signal wiederholt zu beobachten, seine Verteilung in der Atmosphäre zu studieren und festzustellen, ob die Konzentration der Moleküle schwankt – abhängig von Tag und Nacht, von den Jahreszeiten und den Breitengraden. Wenn Phosphan wirklich von Lebewesen stammt, wäre eine Variation zu erwarten“, kommentierte Priya Hasan von der Universität im indischen Hyderabad im April im Astrobiology Newsletter. „Und es müsste auch andere Moleküle geben, wenn die Venus-Atmosphäre ein Ökosystem beherbergt.“

Noch in diesem Jahr sind neue Messungen mit ALMA geplant. Auch im Infraroten soll wieder nach Phosphan-Spektrallinien gesucht werden – nicht nur mit der InfraRed Telescope Facility der NASA auf Hawaii, sondern auch mit dem 2,7-Meter- Teleskop im umgebauten Boeing-747SP-Flugzeug SOFIA (Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy). Es hat in rund 13,7 Kilometer Höhe einen von der irdischen Lufthülle noch weniger getrübten Blick ins All.

Besser wären allerdings Erkundungen vor Ort. Eine Chance böte der Orbiter und Atmosphärenballon der Mission Shukrayaan-1, die die indische Raumfahrtagentur gegenwärtig vorbereitet. Sie soll schon im Jahr 2023 starten. Der russische Orbiter Venera-D ist mit einer Landesonde für 2026 vorgesehen und könnte auch ein fliegendes Atmosphärenlabor der NASA mitnehmen. Und weitere Sonden zur Venus sind bereits im Gespräch.

Die Physikerin Priya Hasan ist zuversichtlich: „Ein goldenes Zeitalter der Venus-Exploration liegt vor uns.“ Die Motivation dazu war niemals größer – denn was wäre spannender, als dort zum ersten Mal extraterrestrisches Leben aufzuspüren?