Entropi bir gezegenin yaşanabilirliğinin anahtarı olabilir

Hepimiz bir dünyada yaşam için üç kritik öğeye ihtiyacınız olduğunu biliyoruz: su, sıcaklık ve yiyecek. Şimdi buna “entropi” adı verilen bir faktörü ekleyin. Belirli bir gezegenin karmaşık yaşamı sürdürüp sürdüremeyeceğinin belirlenmesinde rol oynar.

İtalya’daki Napoli Üniversitesi’nde kimya araştırmacısı olan bilim adamı Luigi Petraccone, gezegensel entropiye baktı. Bilim adamlarının yaşanabilir olabilecek gezegenleri nasıl seçtiğiyle ilgileniyor. O yayınlanan bir kağıt Kraliyet Astronomi Topluluğunun Aylık Bildirimleri “Gezegensel entropi üretimi” (PEP) adı verilen bir şeyi inceliyor. İşte nasıl çalışıyor?

Yaşanabilir bir dünyanın, içinde yaşayan şeylerin bulunduğu bir biyosfere ihtiyacı var. Tüm yaşam, mevcut su, sıcaklık ve yiyecek kaynaklarını kullanarak büyür ve genişler. Entropinin dünyanın biyosferinde ortaya çıktığı ortaya çıktı. Ve nispeten yüksek bir PEP’e ihtiyacı var. Bu da onun karmaşık yaşam sistemlerine sahip olma ihtimalini artırıyor ve keşif için iyi bir hedef olacağı anlamına geliyor. Ve Petraccone’un makalesine göre, bu yaşamın kimyasal temelinin ne olduğu (karbon, silikon veya başka bir element) önemli değil. Önemli olan hayatın nasıl daha karmaşık bir hal aldığıdır.

Entropi nedir?

Petraccone’un makalesine dalmadan önce entropi hakkında konuşalım. Fizikteki sözlük tanımı şu şekildedir: “Bir sistemin termal enerjisinin mekanik işe dönüştürülmesinin mümkün olmadığını temsil eden termodinamik bir nicelik.” Termodinamiğin ikinci yasası, evrenin entropinin arttığı yönde hareket etmesini gerektirir.

Bu biraz karmaşık görünüyor, bu yüzden entropiyi bir sistemdeki rastgelelik veya düzensizliğin bir ölçüsü olarak düşünelim. Düzenli bir sistem, yapması gereken şeyleri yapmaya tam olarak yetecek enerjiye sahiptir. Daha fazla enerji üretirse (veya kazanırsa), bu daha yüksek bir entropi durumuyla ifade edilir.

Canlılar son derece düzenlidir ve düşük entropi durumunu sürdürmek için sürekli bir enerji girdisine ihtiyaç duyarlar. Atık ve yan ürünler üretirler ve elbette yaşam sürecinin bir parçası olarak enerji kaybederler. Bir sisteme ne kadar çok enerji gelir ve sistem tarafından çevreye kaybedilirse, olaylar da o kadar az düzenli ve rastgele olur. Esasen, entropi durumu ne kadar yüksek olursa.

Bir gezegendeki hayata katkıda bulunan sistemlere baktığınızda biyolojide entropi devreye giriyor. Petraccone şöyle yazıyor: “Entropi üretiminin boyutu, bu tür sistemlerin serbest enerjiyi dağıtma ve dolayısıyla ‘yaşama’, evrimleşme, karmaşıklık içinde büyüme yeteneği ile orantılıdır. Genel olarak, ortaya çıkması için entropi üretiminin belirli bir eşiğinin aşılması gerekir. Kendi kendini düzenleyen karmaşık yapılardan oluşan bir yapı. Dolayısıyla entropi üretimi, yaşamın ortaya çıkmasını ve evrimini yönlendiren termodinamik itici güç olarak düşünülebilir.”

Bu bizi bilim adamlarının olası yaşam dostu gezegenleri hedeflemesine yardımcı olabilecek “gezegensel entropi üretimi” (PEP) değerine getiriyor. En yaşanabilir olanlar yaşamın en fazla entropiyi üretebileceği yerler olacak. Yaşam formları ne kadar karmaşık ve dinamik olursa, o kadar fazla entropi üretirler ve korudukları PEP değeri de o kadar yüksek olur. Petraccone, farklı gezegenlerin az ya da çok enerji potansiyeline sahip olacağını öne sürerek hangi gezegenlerin yaşanabilir olma ihtimalinin yüksek olduğunu tahmin ediyor.

Gezegensel entropi üretimini bir yaşam arayışına uygulamak

Bir gezegende yaşamın nerede ve olup olmadığını anlamak önemlidir. İlk olarak, yıldızının yıldız çevresi yaşanabilir bölgesi (CHZ) içinde olması gerekiyor. Suyun yüzeyde sıvı halde bulunabileceği yer burasıdır. Ayrıca gezegenin CHZ’de nerede yörüngede döndüğü de önemlidir. İç kenara çok yakınsa, yıldızların ısınması (ve sera etkisi) nedeniyle sahip olduğu suyu kaybedebilir. Dış kenara daha yakınsa CHZ’nin orta bölgesindeki kadar misafirperver olmayabilir. Ek olarak, belirli bir gezegen bölgenin mükemmel bir kısmında olabilir ancak biyosferi destekleme konusunda başka zorluklarla da karşılaşabilir.

Neden CHZ boyunca gezegen aramıyorsunuz? CHZ’nin iç ve dış kenarları arasında termodinamik farklılıklar vardır. İç kenar, karmaşık biyosferlerin gelişimi için daha avantajlıdır. Hem PEP hem de Dünya benzeri gezegenler için mevcut serbest enerji, yıldız sıcaklığıyla birlikte artar. Bu bilgiyle Petraccone ve ekibi, önerilen yaşanabilir gezegenlerden seçilmiş bir örnek için PEP’i ve serbest enerjiyi değerlendirmek üzere hesaplamalarını uyguladılar.

Bilim adamlarının ayrıca bir dünyanın PEP değerinin üst sınırını ve yıldız sıcaklığı ve gezegen yörünge parametrelerinin bir fonksiyonu olarak aldığı karşılık gelen serbest enerjiyi bulmaları gerekiyor. Petraccone, örneğin, yalnızca G ve F yıldızlarının CHZ’sindeki Dünya benzeri gezegenlerin Dünya değerinden daha yüksek bir PEP değerine sahip olabileceğini yazıyor (Biz karşılaştırma için Dünya’yı kullanıyoruz). Bu, yaşanabilir bölgenin diğer kısımlarındaki gezegenlerin aksine, muhtemelen yaşamı destekleyebilecekleri anlamına geliyor.

Neden PEP’i gezegenin yaşanabilirliği için bir gerekçe olarak kullanmalı?

İlginç bir şekilde, yakın zamanda önerilen yaşanabilir dış gezegenler arasında, “Hycean” dünyaları olarak adlandırılan dünyalar, termodinamik açıdan en iyi adaylar gibi görünüyor. Bunlar sıvı su okyanuslarına ve hidrojen açısından zengin atmosferlere sahip gezegenlerdir. Gezegenimiz iyi bir örnektir ve değerlendirme için bir “yol haritası” olarak kullanılabilir. Bilim insanları halihazırda Dünya’yı örnek alarak yaşanabilir bir dünya için kara ve okyanusların en iyi karışımını araştırıyorlar. Güneşin CHZ’sinin iç kenarına yakın yer alıyor ve bu da onu daha yüksek bir PEP değerine sahip olmak için doğru yere koyuyor.

Dünya’nın PEP değerinin yaşam için gerekli olduğunu varsayarsak, bu durum gezegen bilim adamlarının bir “entropik yaşanabilir bölge” (veya EHZ) bulmasına olanak tanır. Sıvı suya sahip bir gezegenin bulunduğu yıldıza olan mesafenin yanı sıra yüksek bir PEP değerini de içerir. Bu kriterleri gezegenlere uyguladığınızda, düşük kütleli yıldızların etrafındaki dünyaların yaşamı sürdürmeye yetecek kadar yüksek bir EHZ geliştiremeyeceği anlaşılıyor. M ve K yıldızları da olamaz. Bununla birlikte, F ve G yıldızlarının etrafındaki dünyaların bir kısmı şanslı “bölgeye” inebilir ve yaşamı geliştirmeye devam edebilir.

Olası yaşanabilir gezegenleri seçmek

Bugünlerde, yakın yıldızların etrafındaki ötegezegenlerin giderek daha fazla keşfedildiğini görüyoruz. Yaşam aramak için hepsini incelemek neredeyse imkansızdır. Bu nedenle, bilim adamlarının çalışma hedeflerini önceliklendirebilmek için bazı yararlı kriterlere ihtiyacı var. Diğer faktörlerle birlikte entropi üretimi, belirli bir dünyanın yaşama ev sahipliği yapıp yapamayacağının ve bu yaşamın ne kadar karmaşık olduğunun iyi bir göstergesi gibi görünüyor.

İlginç bir şekilde, bir dünyayı değerlendirmenin bir yolu olarak PEP’i ve EHZ’de bulunmayı kullanmanın büyük bir avantajı, atmosferik durumu hakkında varsayımlar gerektirmemesidir. Bu faktörler, herhangi bir dünyadaki canlı sistemlerin kimyasal temelleri hakkında da herhangi bir sonuca varıldığı anlamına gelmez. Bunlar, bilim adamlarının daha fazla araştırma yapmak üzere binlerce ötegezegeni incelerken bir dünyayı derecelendirmesi için bir yol sağlıyor.