Eine Technosignatur, die die Abhängigkeit einer außerirdischen Zivilisation von der Kernfusion erkennen könnte

Außerirdische Zivilisationen benötigen auf ihrem Weg nach oben viel Energie Kardaschew-Skala. Fossile Brennstoffe sind endlich, Wind- und Sonnenenergie sind kohlenstofffrei, aber nicht so effizient wie fossile Brennstoffe, und die traditionelle Kernspaltungsenergie ist auf die Versorgung mit spaltbarem Material angewiesen und weist ein Abfallproblem auf. Daher könnte jede fortgeschrittene außerirdische Spezies durchaus auf die Kernfusion zurückgreifen, um ihren ständig steigenden Energiebedarf zu decken (es sei denn, sie hat noch bessere Energieprozesse entdeckt, von denen wir noch nichts wissen).

Die Deuterium (D)-Fusion ist eine der einfachsten Formen der Kernfusion, bei der D mit Tritium oder einem anderen D verschmilzt. Da Leben unseres Wissens nach Wasser benötigt, könnten die Ozeane auf einer fortgeschrittenen Welt reichlich davon in Form von Meerwasser liefern.

Auf der Erde enthält Wasser von Natur aus eine winzige Menge an schwerem Wasser, wobei Deuterium ein oder beide Wasserstoffatome ersetzt und als HOD oder DOH und selten als D2O vorliegt. Die Gewinnung von Deuterium aus einem Ozean würde dessen Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff (D/H) verringern, auch im atmosphärischen Wasserdampf, während das bei den Kernreaktionen erzeugte Helium in den Weltraum entweichen würde. Könnten niedrige D/H-Werte in der Atmosphäre eines Exoplaneten eine Technosignatur für langlebiges, hochentwickeltes außerirdisches Leben sein?

Das fragte sich David C. Catling von der University of Washington vor einiger Zeit. „Ich habe mit diesem Keim der Idee nicht viel gemacht, bis ich letztes Jahr ein Astrobiologie-Treffen am Green Bank Observatory in West Virginia mitorganisierte“, sagte er.

Als eine Brainstorming-Sitzung zu SETI in Arbeit war, führte er einige vorläufige Analysen durch, die schließlich zu einer Zusammenarbeit mit drei Parteien führten Papier zum Thema das wird in der erscheinen Astrophysikalisches Journal und wird auf der veröffentlicht arXiv Preprint-Server.

„Die Messung des D/H-Verhältnisses im Wasserdampf auf Exoplaneten ist sicherlich kein Kinderspiel“, sagte er. „Aber es ist auch kein Wunschtraum“, so seine Analyse. Ein großer Vorteil der Suche nach niedrigen D/H-Werten in der Atmosphäre eines Exoplaneten besteht darin, dass diese auch dann bestehen bleiben, wenn fortgeschrittenes Leben auf dem Planeten ausstirbt oder wegwandert, was die Chancen erhöht, diese Technosignatur zu entdecken.

Auf der Erde, wo die Menschheit derzeit bei 0,73 auf der Kardaschew-Skala liegt, macht natürliches Deuterium im Ozean etwa ein Atom von 6.240 Wasserstoffatomen aus, oder 35 Gramm Deuterium pro Tonne Meerwasser. Das sind insgesamt 4,85 × 1013 Tonnen Deuterium. Es ist fast das Gleiche in unserer Atmosphäre. Deuterium kann mit sich selbst verschmelzen und erzeugt in einer Kette von Kernreaktionen letztendlich 335 Gigajoule Energie pro Gramm Deuterium.

Anhand der Erde als Modell für einen Exoplaneten mit fortgeschrittenem Leben berechneten Catling und seine Kollegen eine Fusionsleistung, die etwa zehnmal so groß ist wie die für den Menschen im nächsten Jahrhundert prognostizierte, etwa 100 TW im Jahr 2100 für eine Bevölkerung von 10,4 Milliarden (fünfmal mehr als heute). Diese 1.000 Terawatt (TW) – was für eine fortgeschrittene Spezies (oder ihre robotischen Nachkommen!) eine geringe Menge sein könnte – würden den D/H-Wert eines erdähnlichen Ozeans auf einen im lokalen interstellaren Medium gefundenen Wert von etwa 16 Teilen verringern Millionen, in etwa 170 Millionen Jahren.

„Wenn festgestellt wurde, dass das D/H-Verhältnis im Wasser eines Exoplaneten deutlich darunter liegt [interstellar medium] Werte…es wäre seltsam und anormal“, schreibt die Gruppe in ihrem Artikel.

Wenn ihr Exoplanet zufällig einen Ozean hätte, der nur wenige Prozent des Erdplaneten ausmacht – ein sogenannter „Landplanet“ – würde D/H in etwa 1 bis 10 Millionen Jahren ungewöhnlich niedrige Werte erreichen. Das entspricht etwa der durchschnittlichen Lebensdauer einer Säugetierart seit dem Aussterben der Dinosaurier durch den Chicxulub-Einschlag, etwa 3 Millionen Jahre.

Andere Planeten wie Venus und Mars haben höhere D/H-Werte, aber Prozesse wie der außer Kontrolle geratene Treibhauseffekt der Venus und physische Fluchtprozesse auf dem Mars haben beide unbewohnbar gemacht. Daher deutet ein höherer D/H-Wert als der der Erde „wahrscheinlich auf einen Planeten hin, dessen Bewohnbarkeit auf geologischen Zeitskalen problematisch ist“.

Berechnungen wie diese führten dazu, dass die Gruppe vorschlug, nach ungewöhnlich niedrigen D/H-Werten im Wasserdampf des Planeten als potenzieller Technosignatur zu suchen, die sie als „potenziell aus der Ferne nachweisbar“ bezeichnen.

Verwendung der Spektralkartierung des atmosphärischen Strahlungstransfers (SCHLAU) Modell, Sie schlugen spezifische Wellenlängen vor, nach denen man in den Emissionslinien von HDO und H2O suchen sollte. HDO weist starke Linien im infraroten und nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums auf, und im Jahr 2019 haben Wissenschaftler festgestellt erstmals entdeckt Wasserdampf in der Atmosphäre eines potenziell bewohnbaren Planeten.

Zwei Missionen in der Entwicklung, die der NASA Observatorium für bewohnbare Welten (HWO), das dem James Webb-Weltraumteleskop folgen würde, und das von Europa geleitete Großes Interferometer für Exoplaneten (LIFE), könnte möglicherweise D/H messen.

„Es liegt an den Ingenieuren und Wissenschaftlern, die etwas entwerfen [HWO] Und [LIFE] um herauszufinden, ob die Messung von D/H auf Exoplaneten ein erreichbares Ziel sein könnte“, sagte Catling und bemerkte, dass ein Wissenschaftler im LIFE-Team sich mit dem Thema befasst, nachdem er seinen Artikel gelesen hat.

„Was wir bisher sagen können, ist, dass die Suche nach D/H aus LIFE für Exoplaneten mit viel atmosphärischem Wasserdampf in einem Bereich des Spektrums um die 8 Mikrometer Wellenlänge machbar zu sein scheint.“

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