熵可能是行星可居住性的关键

熊明青

艺术家对太古代早期地球的印象，带有略带紫色的水圈和沿海地区。甚至在早期，生命就已经繁荣并变得越来越复杂。信用:奥列格·库兹涅佐夫

（）据今日宇宙（卡罗琳·柯林斯·彼得森）：我们都知道，要在一个星球上生活，你需要三个关键的东西:水、温暖和食物。现在再加上一个叫做“熵”的因素它在决定一个给定的行星是否能够维持和生长复杂的生命方面发挥着作用。

意大利那不勒斯大学的化学研究员、科学家Luigi Petraccone研究了行星熵。他对科学家如何选择适合居住的行星感兴趣。他在《皇家天文学会月报》上发表了一篇论文，研究了一种名为“行星熵产生”(PEP)的东西。它是这样工作的。

一个可居住的世界需要一个有生物生活在其中的生物圈。所有的生命都在利用可获得的水、温暖和食物资源生长和扩张。事实证明，熵在一个世界的生物圈中发挥作用。而且，它需要相对较高的活力。这使得它更有可能拥有复杂的生命系统，也意味着它将是一个很好的探索目标。根据Petraccone的论文，生命的化学基础是什么并不重要——是碳、硅还是其他元素。重要的是生命如何变得更加复杂。

熵是什么？

在深入Petraccone的论文之前，我们先来谈谈熵。物理学中的字典定义是:“代表系统热能转换为机械功的不可用性的热力学量。”热力学第二定律要求宇宙朝着熵增加的方向运动。

这似乎有点复杂，所以让我们把熵看作是系统中随机性或无序度的一种度量。一个有序的系统有足够的能量去做它需要做的事情。如果它产生(或获得)更多的能量，那就表现为更高的熵状态。

生物是高度有序的，需要不断输入能量来维持低熵状态。它们产生废物和副产品，当然，作为生命过程的一部分，它们也会损失能量。进入一个系统的能量越多，随后被该系统散失到周围环境中的能量越多，事物就会变得越不有序，越不随机。本质上，它的熵状态变得越高。

当你观察对一个星球上的生命有贡献的系统时，生物学中的熵就发挥作用了。Petraccone写道:“熵产生的程度与这种系统消耗自由能的能力成正比，从而“存活”，进化，变得更加复杂。一般来说，复杂自组织结构的出现必须超过熵产生的某个阈值。因此，熵产生可以被认为是驱动生命出现和进化的热力学推力。”

这让我们想到了“行星熵产”(PEP)值，它可以帮助科学家锁定可能适合生命的行星。最适合居住的地方将是生命能够产生最大熵的地方。生命形式越复杂和动态，它们产生的熵就越多，它们保持的PEP值就越高。Petraccone提出，不同的行星或多或少会有能量潜力，预测哪些行星最有可能适合居住。

行星熵产生在生命探索中的应用

弄清楚一个星球上的生命发生在哪里以及是否发生是很重要的。首先，它需要位于其恒星的环星宜居带(CHZ)内。那是水可以以液态存在于地表的地方。行星在CHZ中的轨道位置也很重要。如果它太靠近内部边缘，由于恒星加热(和失控的温室效应)，它可能会失去所有的水。如果它更靠近外缘，它可能不像在CHZ中心地区的那样好客。此外，一个给定的行星可能在该区域的完美部分，但在支持生物圈方面有其他挑战。

为什么不在整个CHZ寻找行星呢？CHZ的内外边缘之间存在热力学差异。内缘更有利于复杂生物圈的发展。PEP和类地行星的可用自由能都随着恒星温度的升高而增加。有了这些信息，Petraccone和他的团队应用他们的计算来评估一个选定的可居住行星样本的PEP和自由能。

科学家们还需要计算出一个世界的PEP值的上限，以及它作为恒星温度和行星轨道参数的函数而接收到的相应自由能。例如，Petraccone写道，只有G星和F星CHZ中的类地行星的PEP值才能高于地球值(地球是我们用来比较的)。这意味着它们可能支持生命，而不是在可居住区的其他地方。

为什么使用PEP作为行星可居住性的基本原理？

有趣的是，在最近提出的可居住的系外行星中，所谓的“海洋”世界似乎是热力学上最好的候选者。这些行星有液态水海洋和富含氢气的大气层。我们的星球就是一个很好的例子，可以作为评估的“路线图”。科学家们已经在用地球做类比，研究适合居住的世界的陆地和海洋的最佳组合。它靠近太阳CHZ的内边缘，这使它处于具有较高PEP值的正确位置。

如果我们假设地球的PEP值是生命所必需的，那么它允许行星科学家提出一个“熵可居住区”(或EHZ)。它包括距离一颗行星有液态水的恒星加上高PEP值的距离。将这些标准应用于行星，似乎低质量恒星周围的世界不会产生足够高的EHZ来维持生命。M星和K星也不行。然而，F星和G星周围的一些星球可能会落在幸运的“区域”,并开始发展生命。

选择那些可能适合居住的行星

这些天来，我们看到越来越多的围绕附近恒星的系外行星的发现。检查它们来寻找生命几乎是不可能的。因此，科学家需要一些有用的标准来优先考虑研究目标。除了其他因素，熵产生似乎是一个很好的指标，表明一个给定的世界是否可以容纳生命——以及生命有多复杂。

有趣的是，使用PEP和EHZ的存在作为评估一个世界的方法的一个主要优点是，它不需要对它的大气条件进行假设。这些因素也不意味着任何特定世界生命系统化学基础的结论。它们只是为科学家提供了一种方式来评估一个世界，因为他们筛选了数以千计的系外行星进行进一步研究。