3.11.2026
Wissenschaftler der UW entwickeln eine Simulation der gesamten Erde, um bei der Suche nach Leben auf anderen Planeten zu helfen.
It’s a dizzyingly busy time for scientists searching for life on distant planets. To date, astronomers have cataloged more than 6,000 planets beyond our solar system and are searching the atmospheres of the most promising worlds for chemicals that might be byproducts of life. Astrobiologists are particularly interested in atmospheres like Earth’s that trap enough heat to support liquid water on the planet’s surface, which scientists consider the key factor in determining whether a planet can support life as we know it.
But scientists also want to distinguish between habitable and inhabited worlds. To do that, they need to know what sorts of atmospheric conditions on a planet can be explained without life, so that they can identify planets with atmospheres that can only be explained by life’s influence.
To provide that planetary baseline, University of Washington researchers built a complex virtual Earth with one crucial tweak: no life.
In a paper published Sept. 18 in The Planetary Science Journal, the researchers simulated the Earth’s geochemical systems for 5 billion years — from its formation 4.5 billion years ago through roughly 500 million years in the future. The simulation modeled the exchange of chemicals between the core, mantle, crust, surface and atmosphere over time. It accurately predicted 19 planetary properties like heat flow through the mantle, but left out the influence of life on those systems. The simulation can be generalized to predict how an atmosphere might evolve on any rocky planet, and can help pinpoint evidence of life in atmospheres that don’t fit the model.
“This model can help us see how habitable but non-living planets might mimic living planets,” said lead author Samantha Gilbert-Janizek, who completed this research as a UW doctoral student of astronomy and is now a postdoctoral fellow at UC Riverside. “When we interpret observations of an exoplanet’s atmosphere, this tool will help us determine the probability that what we observe indicates life on the surface.”
Gilbert-Janizek’s work builds on a model developed in the lab of senior author Rory Barnes, a UW associate professor of astronomy. Earlier versions of the model simulated the core, mantle, crust and stellar radiation, but did not include the surface or atmosphere.
A planet’s atmosphere is shaped by many nonbiological factors, including heat and gases from the interior and from the planet’s star. But the atmosphere of a distant planet is also where astronomers hope to spot explicit evidence of life.
There are many ways that life might change an atmosphere: On Earth, plants and animals pump steady streams of oxygen and methane into the sky. Those two elements destroy each other when they mingle. Thus, an alien astronomer studying our planet might suspect that something alive is replenishing the supply of both gases.
That logic led human astronomer Gilbert-Janizek to add surface and atmosphere modeling to the existing Earth simulation, completing the picture of how chemicals move through all of the Earth’s systems.
The result is a model that can be tuned to study any rocky exoplanet that astrobiologists find interesting. Researchers can plug in basic details about that planet and run the simulation to see whether the model can reproduce the observed atmosphere without the influence of life. If they can’t get a match, the planet in question gets even more interesting.
“Dr. Gilbert-Janizek’s work represents an exciting step toward understanding where life can exist in the universe,” Barnes said. “After more than a decade of work by many scientists, Dr. Gilbert-Janizek has finally completed a model of the Earth that simultaneously reproduces properties of Earth’s core, mantle, surface and atmosphere. That calibration gives us confidence that future simulations of exoplanets will be accurate.”
Gilbert-Janizek says the new and improved model can also help inform the design of future telescopes built to study distant planets, like the proposed Habitable Worlds Observatory.
“Realizing the ambitious goals of a telescope like the Habitable Worlds Observatory requires decades of work across many generations of scientists,” Gilbert-Janizek said. “I’m so grateful to join this lineage and one day pass the torch to the next generation so that we can continue chipping away at this question of whether or not we are alone in the universe.”
Other UW co-authors include former astronomy doctoral students Jessica Birky, now a postdoctoral researcher at the University of Oklahoma and Rodolfo Garcia, now a high school teacher in the Seattle area.
++
Es ist eine überaus ereignisreiche Zeit für Wissenschaftler, die nach Leben auf fernen Planeten suchen. Bislang haben Astronomen mehr als 6.000 Planeten außerhalb unseres Sonnensystems katalogisiert. Sie untersuchen nun die Atmosphären der vielversprechendsten Welten auf chemische Verbindungen, die als Nebenprodukte von Leben entstanden sein könnten. Astrobiologen interessieren sich besonders für Atmosphären, die – ähnlich wie die der Erde – genügend Wärme speichern, um flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche zu ermöglichen. Dies gilt in der Wissenschaft als entscheidendes Kriterium dafür, ob ein Planet Leben, so wie wir es kennen, beherbergen kann.
Doch die Forschung unterscheidet auch zwischen bewohnbaren und tatsächlich bewohnten Welten. Um dies zu können, müssen die Wissenschaftler wissen, welche atmosphärischen Bedingungen auch ohne die Anwesenheit von Leben entstehen können. Nur so lassen sich Planeten identifizieren, deren atmosphärische Zusammensetzung zwangsläufig auf den Einfluss von Leben zurückzuführen ist.
Um eine solche planetare Referenzgrundlage zu schaffen, haben Forschende der University of Washington eine komplexe virtuelle Erde entwickelt – mit einem entscheidenden Unterschied: Es gibt dort kein Leben.
In einer am 18. September im *Planetary Science Journal* veröffentlichten Studie simulierten die Forschenden die geochemischen Systeme der Erde über einen Zeitraum von 5 Milliarden Jahren – von ihrer Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren bis etwa 500 Millionen Jahre in die Zukunft. Die Simulation bildete den Austausch chemischer Stoffe zwischen Erdkern, Erdmantel, Erdkruste, Oberfläche und Atmosphäre im Zeitverlauf ab. Sie konnte 19 planetare Eigenschaften – etwa den Wärmefluss durch den Erdmantel – präzise vorhersagen, ließ dabei jedoch den Einfluss von Leben auf diese Systeme außen vor. Das Modell lässt sich verallgemeinern, um die atmosphärische Entwicklung beliebiger Gesteinsplaneten vorherzusagen. Zudem hilft es dabei, Hinweise auf Leben in Atmosphären zu finden, die nicht mit dem Modell übereinstimmen.
„Dieses Modell zeigt uns, wie bewohnbare, aber unbewohnte Planeten den Anschein erwecken könnten, als gäbe es dort Leben“, erklärt die Hauptautorin Samantha Gilbert-Janizek, die diese Forschung während ihrer Promotion in Astronomie an der University of Washington durchführte und heute als Postdoktorandin an der UC Riverside tätig ist. „Wenn wir Beobachtungen der Atmosphäre eines Exoplaneten auswerten, hilft uns dieses Instrument dabei, die Wahrscheinlichkeit einzuschätzen, ob das, was wir sehen, tatsächlich auf Leben auf der Oberfläche hindeutet.“
Die Arbeit von Gilbert-Janizek basiert auf einem Modell, das im Labor von Rory Barnes, außerordentlicher Professor für Astronomie an der University of Washington und leitender Autor der Studie, entwickelt wurde. Frühere Versionen des Modells simulierten zwar den Kern, den Mantel, die Kruste und die stellare Strahlung, ließen jedoch die Oberfläche und die Atmosphäre außen vor.
Die Atmosphäre eines Planeten wird von zahlreichen nicht-biologischen Faktoren geprägt, darunter Wärme und Gase aus dem Planeteninneren sowie von seinem Zentralstern. Zugleich ist die Atmosphäre eines fernen Planeten genau der Ort, an dem Astronomen nach eindeutigen Lebenszeichen suchen.
Es gibt vielfältige Möglichkeiten, wie Leben die Zusammensetzung einer Atmosphäre verändern kann: Auf der Erde geben Pflanzen und Tiere kontinuierlich Sauerstoff und Methan an die Atmosphäre ab. Da diese beiden Stoffe bei Kontakt miteinander reagieren und sich gegenseitig zerstören, könnte ein außerirdischer Astronom, der unseren Planeten beobachtet, vermuten, dass ein biologischer Prozess den Vorrat beider Gase ständig wieder auffüllt.
Diese Überlegung veranlasste den Astronomen Gilbert-Janizek dazu, die bestehende Erdsimulation um eine Modellierung von Oberfläche und Atmosphäre zu erweitern. Damit vervollständigte er das Gesamtbild der chemischen Stoffkreisläufe innerhalb der verschiedenen Erdsysteme.
Das Ergebnis ist ein Modell, das sich auf jeden beliebigen Gesteins-Exoplaneten anpassen lässt, der für Astrobiologen von Interesse ist. Forschende können grundlegende Daten des jeweiligen Planeten eingeben und die Simulation ausführen, um zu prüfen, ob das Modell die beobachtete Atmosphäre auch ohne den Einfluss von Leben korrekt abbilden kann. Gelingt dies nicht, wird der betreffende Planet umso interessanter.
„Die Arbeit von Dr. Gilbert-Janizek ist ein spannender Schritt auf dem Weg zu einem besseren Verständnis dafür, wo im Universum Leben existieren kann“, so Barnes. „Nach mehr als einem Jahrzehnt der Forschung durch zahlreiche Wissenschaftler ist es Dr. Gilbert-Janizek gelungen, ein Erdmodell zu entwickeln, das gleichzeitig die Eigenschaften von Erdkern, Erdmantel, Oberfläche und Atmosphäre wiedergibt. Diese Kalibrierung gibt uns die Gewissheit, dass auch künftige Simulationen von Exoplaneten präzise Ergebnisse liefern werden.“
Laut Gilbert-Janizek kann das neue, verbesserte Modell zudem wertvolle Hinweise für die Konzeption künftiger Teleskope zur Erforschung ferner Planeten liefern – etwa für das geplante „Habitable Worlds Observatory“.
„Um die ehrgeizigen Ziele eines Teleskops wie des ‚Habitable Worlds Observatory‘ zu erreichen, bedarf es jahrzehntelanger Arbeit, an der viele Generationen von Wissenschaftlern beteiligt sind“, erklärt Gilbert-Janizek. „Ich bin sehr dankbar, Teil dieser Tradition zu sein und eines Tages den Staffelstab an die nächste Generation weitergeben zu können – damit wir weiterhin Schritt für Schritt der Frage nachgehen können, ob wir im Universum allein sind oder nicht.“
Zu den weiteren Co-Autoren von der UW zählen die ehemaligen Astronomie-Doktoranden Jessica Birky, die heute als Postdoktorandin an der University of Oklahoma tätig ist, sowie Rodolfo Garcia, der inzwischen als Lehrer an einer Highschool im Raum Seattle arbeitet.
Quelle: University of Washington