Entropie könnte das Geheimnis sein, fremde Welten bewohnbar zu machen: ScienceAlert

By | December 15, 2023

Wir alle wissen, dass für das Leben auf der Welt drei wesentliche Dinge notwendig sind: Wasser, Wärme und Nahrung. Fügen Sie dazu nun einen Faktor namens „Entropie“ hinzu. Es spielt eine Rolle bei der Bestimmung, ob ein bestimmter Planet komplexes Leben unterstützen und wachsen lassen kann.

Der Wissenschaftler Luigi Petraccone, ein Chemieforscher an der Universität Neapel in Italien, analysierte die Planetenentropie. Er interessiert sich dafür, wie Wissenschaftler Planeten auswählen, die bewohnbar sein könnten. Er veröffentlichte einen Artikel, der sich mit der sogenannten „planetaren Entropieproduktion“ (PEP) befasst. Sehen, wie es funktioniert.

Eine bewohnbare Welt braucht eine Biosphäre mit darin lebenden Dingen. Alles Leben wächst und dehnt sich aus und nutzt dabei die verfügbaren Ressourcen an Wasser, Wärme und Nahrung. Es stellt sich heraus, dass Entropie innerhalb der Biosphäre der Welt auftritt. Und es braucht einen relativ hohen PEP.

Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit komplexer lebender Systeme und bedeutet, dass es sich um ein gutes Ziel für die Erkundung handelt. Und laut Petraccones Artikel spielt es keine Rolle, was die chemische Grundlage dieses Lebens ist – sei es Kohlenstoff, Silizium oder ein anderes Element. Entscheidend ist, wie das Leben immer komplexer wird.

Illustration von Kepler-186f, einem kürzlich entdeckten, möglicherweise erdähnlichen Exoplaneten, der Leben beherbergen könnte. Wissenschaftler könnten diese oder ähnliche Methoden nutzen, um die planetare Entropieproduktion als Auftakt für die Erforschung zu messen. (NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech/T. Pyle)

Was ist Entropie?

Bevor wir uns mit Petraccones Artikel befassen, sprechen wir über Entropie. Die Definition im Physikwörterbuch lautet: „Eine thermodynamische Größe, die die Nichtverfügbarkeit der thermischen Energie eines Systems zur Umwandlung in mechanische Arbeit darstellt.“

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik verlangt, dass sich das Universum in eine Richtung bewegt, in der die Entropie zunimmt.

Das scheint etwas komplex zu sein, also stellen wir uns Entropie als Maß für Zufälligkeit oder Unordnung in einem System vor. Ein geordnetes System hat genau genug Energie, um die Dinge zu tun, die es tun muss.

Wenn Sie mehr Energie produzieren (oder gewinnen), drückt sich dies in einem höheren Entropiezustand aus. Lebewesen sind hochgeordnet und benötigen eine konstante Energiezufuhr, um einen Zustand niedriger Entropie aufrechtzuerhalten.

Sie produzieren Abfälle und Nebenprodukte und verlieren im Laufe des Lebensprozesses natürlich auch Energie. Je mehr Energie in ein System gelangt und dieses System anschließend an die Umgebung verliert, desto ungeordneter und zufälliger werden die Dinge. Im Wesentlichen gilt: Je größer Ihr Entropiezustand wird.

Entropie kommt in der Biologie ins Spiel, wenn wir die Systeme betrachten, die zum Leben auf einem Planeten beitragen. Petraccone schreibt:

„Das Ausmaß der Entropieproduktion ist proportional zur Fähigkeit solcher Systeme, freie Energie zu zerstreuen und daher zu ‚leben‘, sich weiterzuentwickeln und an Komplexität zu wachsen. Im Allgemeinen muss eine bestimmte Schwelle der Entropieproduktion überschritten werden, damit ein Komplex entsteht.“ selbstorganisierende Strukturen. Daher kann die Produktion von Entropie als der thermodynamische Impuls betrachtet werden, der die Entstehung und Entwicklung des Lebens vorantreibt.

Dies bringt uns zum Wert der „planetaren Entropieproduktion“ (PEP), die Wissenschaftlern dabei helfen kann, wahrscheinliche, lebensfreundliche Planeten zu identifizieren.

Am bewohnbarsten werden diejenigen sein, in denen das Leben die meiste Entropie erzeugen kann. Je komplexer und dynamischer die Lebensformen sind, desto mehr Entropie produzieren sie und desto höher ist der PEP-Wert, den sie beibehalten. Petraccone schlägt vor, dass verschiedene Planeten ein größeres oder geringeres Energiepotenzial haben, und sagt damit voraus, welche Planeten am wahrscheinlichsten bewohnbar sind.

Es ist wichtig herauszufinden, wo und ob auf einem Planeten Leben stattfindet. Erstens muss es sich innerhalb der zirkumstellaren bewohnbaren Zone (CHZ) seines Sterns befinden. Hier kann Wasser in flüssigem Zustand an der Oberfläche vorliegen.

Es spielt auch eine Rolle, wo der Planet in der CHZ umkreist. Wenn es sich zu nahe am inneren Rand befindet, könnte es aufgrund der Sternerwärmung (und eines außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekts) sein gesamtes Wasser verlieren. Wenn es näher am äußeren Rand liegt, ist es möglicherweise nicht so gastfreundlich wie das zentrale CHZ-Gebiet. Darüber hinaus kann ein bestimmter Planet im perfekten Teil der Zone liegen, aber andere Herausforderungen bei der Aufrechterhaltung einer Biosphäre mit sich bringen.

Warum nicht im gesamten CHZ nach Planeten suchen? Es gibt thermodynamische Unterschiede zwischen den Innen- und Außenkanten des CHZ. Der innere Rand ist für die Entwicklung komplexer Biosphären vorteilhafter.

Sowohl der PEP als auch die freie Energie, die erdähnlichen Planeten zur Verfügung steht, nehmen mit der Sterntemperatur zu. Mit diesen Informationen wandten Petraccone und sein Team ihre Berechnungen an, um den PEP und die freie Energie für eine ausgewählte Stichprobe vorgeschlagener bewohnbarer Planeten zu bewerten.

Wissenschaftler müssen auch die Obergrenze des PEP-Werts der Welt und die entsprechende freie Energie, die sie als Funktion der Sterntemperatur und der Planetenorbitalparameter erhält, herausfinden.

Petraccone schreibt zum Beispiel, dass nur erdähnliche Planeten in der CHZ der Sterne G und F einen PEP-Wert haben können, der höher ist als der Erdwert (die Erde ist das, was wir zum Vergleich verwenden). Das bedeutet, dass sie im Gegensatz zu Planeten anderswo in der bewohnbaren Zone wahrscheinlich Leben beherbergen würden.

Abbildung, die bewohnbare Zonen um drei Arten von Sternen hervorhebt.
Künstlerische Illustration der zirkumstellaren bewohnbaren Zone um verschiedene Arten von Sternen. Die CHZ spielt eine Rolle bei der planetaren Entropieproduktion eines bestimmten Planeten. (NASA)

Warum PEP als Rechtfertigung für die Bewohnbarkeit des Planeten verwenden?

Interessanterweise scheinen unter den kürzlich vorgeschlagenen bewohnbaren Exoplaneten sogenannte „Hytian“-Welten thermodynamisch die besten Kandidaten zu sein. Dies sind Planeten mit Ozeanen aus flüssigem Wasser und wasserstoffreichen Atmosphären. Unser Planet ist ein gutes Beispiel und kann als „Roadmap“ zur Bewertung herangezogen werden.

Wissenschaftler sind es bereits Untersuchung der besten Kombination von Land und Ozeanen für eine bewohnbare Welt, wobei die Erde als Analogon dient. Es liegt nahe dem inneren Rand des CHZ der Sonne, was es an der richtigen Stelle platziert, um einen höheren PEP-Wert zu haben.

Wenn wir davon ausgehen, dass der PEP-Wert der Erde für Leben notwendig ist, dann ermöglicht dies den Planetenforschern die Schaffung einer „entropischen bewohnbaren Zone“ (oder EHZ). Dazu gehören die Entfernung zu einem Stern, auf dem ein Planet flüssiges Wasser hat, sowie ein hoher PEP-Wert.

Wenn man diese Kriterien auf Planeten anwendet, scheint es, dass Welten um massearme Sterne keine ausreichend hohe EHZ entwickeln würden, um Leben zu ermöglichen. Das Gleiche gilt für die Sterne M und K. Allerdings könnte ein Teil der Welten um die Sterne F und G in der glücklichen „Zone“ landen und Leben entwickeln.

Auswahl dieser möglichen bewohnbaren Planeten

Heutzutage sehen wir immer mehr Entdeckungen von Exoplaneten um nahegelegene Sterne. Sie alle auf Lebenszeit zu untersuchen, ist nahezu unmöglich. Daher benötigen Wissenschaftler einige nützliche Kriterien, um Studienziele zu priorisieren.

Zusammen mit anderen Faktoren scheint die Entropieproduktion ein guter Indikator dafür zu sein, ob eine bestimmte Welt Leben unterstützen kann oder nicht – und wie komplex dieses Leben ist.

Interessanterweise besteht ein großer Vorteil der Verwendung von PEP und Präsenz in der AWZ als Möglichkeit zur Beurteilung einer Welt darin, dass keine Annahmen über ihren atmosphärischen Zustand erforderlich sind. Diese Faktoren lassen auch keine Rückschlüsse auf die chemische Grundlage lebender Systeme auf irgendeiner Welt zu.

Sie bieten Wissenschaftlern lediglich die Möglichkeit, die Welt zu beurteilen und gleichzeitig Tausende von Exoplaneten für weitere Untersuchungen zu untersuchen.

Dieser Artikel wurde ursprünglich von Universe Today veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.

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