熵可能是外星世界可居住的秘密

我们都知道一个星球要想有生命存在，必须有三个关键要素：水、温度和食物。现在加入一个叫做“熵”的因素。它在决定一个星球是否能够支撑并生长复杂生命时起着作用。

意大利那不勒斯大学的化学研究员，科学家Luigi Petraccone研究了星球熵。他感兴趣的是科学家们如何选择可能存在生命的星球。他发表了一篇论文，这篇论文探讨了一个叫做"星球熵产生"(PEP)的东西。让我们来看看它是如何运作的。

一个可居住的世界需要一个有生物居住的生物圈。所有的生命都在生长和扩张，利用可用的水、温度和食物资源。事实证明，熵在一个世界的生物圈内部运作。而且，它需要一个相对较高的PEP。

这使得它更有可能有复杂的生命系统，这意味着它会是一个很好的探索目标。而且，根据Petraccone的论文，生命的化学基础是什么无关紧要——无论是碳、硅还是其他元素。关键是生命如何发展向更高的复杂性。

什么是熵？

在深入Petraccone的论文之前，让我们谈谈熵。物理学中的字典定义是：“一个热力学数量，代表一个系统的热能不能转化为机械工作的情况。”

热力学第二定律要求宇宙要向熵增加的方向发展。

这看起来有些复杂，所以让我们把熵看作是一个系统中的随机性或混乱程度的度量。一个有序的系统有足够的能量来做它需要做的事情。

如果它产生(或获得)更多的能量，那么会体现在更高的熵状态上。生物被高度有序，需要一个持续的能量输入来维持一个低熵状态。

他们产生废物和副产品，当然，在生命过程中也会损失能量。一个系统输入的能量越多，然后由该系统向其周围环境损失的能量越多，事物就越无序，更随机。基本上，它的熵状态就会提高。

当你看到对一个星球上的生命有贡献的系统时，生物学中的熵就进入到了考虑范围。Petraccone写道：

“熵产生的程度与这些系统消耗自由能海是成正比的，因此有能力‘生活’、进化、增长复杂性。通常，复杂的自组织结构的出现需要让熵产生超过一定的阈值。因此，熵产生可以被视为推动生命的出现和进化的热力学推力。”

这就引出了一个可以帮助科学家们找出可能对生命友好的星球的“星球熵产生”(PEP)的值。

最适宜生命存在的星球将是生命可以产生最多的熵的地方。生命形式越复杂和动态，他们产生的熵就越多，维持他们的PEP值也就更高。Petraccone提议，不同的星球可能有更多或更少的能量潜力，预测哪个星球最有可能适宜居住。

把星球熵产生应用到寻找生命过程中

弄清楚在一个星球上哪里有可能存在生命是很重要的。首先，它需要在其恒星的宜居带(CHZ)内。那是水可以以液态存在于表面的地方。

CHZ中星球轨道的位置也很重要。如果它离内侧边缘太近，由于恒星的加热(和温室效应的失控)，可能会失去它所有的水。如果离外侧边缘更近，可能不如在CHZ的中央区域的星球那样宜居。另外，一个星球可能在这个区域的最佳部分，但可能有其他的挑战来支持一个生物圈。

为什么不搜寻整个CHZ的星球呢？ CHZ的内部和外部的热力学差异。内部边缘更有利于复杂生物圈的发展。

PEP和对地球类似行星中可用自由能的提高都随着恒星温度的提高而增加。有了这些信息，Petraccone和他的团队就把他们的计算应用到评估选定的可居住星球的PEP和自由能上。

科学家们也需要找出一个星球的PEP值的上限，以及它接收的由恒星温度和行星轨道参数决定的对应自由能。

Petraccone写道，例如，只有在G和F型恒星的CHZ的类地行星可以有一个比地球值(我们用地球作为比较)更高的PEP。那意味着他们可能支持生命，与其他位于宜居带其他地方的星球相比。

为什么使用PEP作为星球宜居性的理由？

有趣的是，其中最近被提出的可能宜居的系外行星中，所谓的“Hycean”世界似乎是热力学上的最佳候选者。这些行星有液态水的海洋和含氢的大气。我们的星球是一个很好的例子，可以被用作评估的“路线图”。

科学家们已经在研究一个适宜生命居住的星球的陆地和海洋的最佳比例，以地球为参照物。它接近太阳CHZ的内层边缘，这使它处于一个有更高PEP值的合适位置。

如果我们假设需要地球的PEP值来支持生命，那么它就允许行星科学家提出一个“熵宜居带“(EHZ)。它包括从星星的距离，在那里行星有液态水以及高PEP值。

把这些标准应用到星球上，独一无二的发现是，围绕低质量星星的行星可能不会产生足够高的EHZ来维持生命。M型和K型恒星也不能。然而，围绕F和G型恒星的某部分的行星可能会处于幸运的“区域”并开始发展生命。

挑选可能的宜居星球

今天，我们看到越来越多的发现，发现了许多周围星星的系外行星。检查它们所有的寻找生命的可能性几乎是不可能的。因此，科学家们需要一些有用的标准来优先选择的研究目标。

熵产生似乎是一个很好的指标，能否显示出给定的世界能否容纳生命——以及该生命有多复杂。

有趣的是，使用PEP和存在于EHZ的优势来评估一个世界的一个主要优势在于，它不需要假设它的大气条件。也不需要这些因素对任何给定世界上的生命系统的化学基础有任何结论。

他们只是提供了一种科学家在从成千上万的系外行星中筛选进一步研究的星球时，对一个星球的评级的方法。

本文译自 ScienceAlert，由 超载鸡 编辑发布。