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熵可能是行星可居住性的關鍵

行星


熵可能是行星可居住性的關鍵


藝術家對太古代早期地球的印象，帶有略帶紫色的水圈和沿海地區 。甚至在早期，生命就已經繁榮并變得越來越復雜 。信用:奧列格·庫茲涅佐夫
據今日宇宙（卡羅琳·柯林斯·彼得森）：我們都知道，要在一個星球上生活，你需要三個關鍵的東西:水、溫暖和食物 ?，F在再加上一個叫做“熵”的因素它在決定一個給定的行星是否能夠維持和生長復雜的生命方面發揮著作用 。
意大利那不勒斯大學的化學研究員、科學家Luigi Petraccone研究了行星熵 。他對科學家如何選擇適合居住的行星感興趣 。他在《皇家天文學會月報》上發表了一篇論文，研究了一種名為“行星熵產生”(PEP)的東西 。它是這樣工作的 。
一個可居住的世界需要一個有生物生活在其中的生物圈 。所有的生命都在利用可獲得的水、溫暖和食物資源生長和擴張 。事實證明，熵在一個世界的生物圈中發揮作用 。而且，它需要相對較高的活力 。這使得它更有可能擁有復雜的生命系統，也意味著它將是一個很好的探索目標 。根據Petraccone的論文，生命的化學基礎是什么并不重要——是碳、硅還是其他元素 。重要的是生命如何變得更加復雜 。
熵是什么？
在深入Petraccone的論文之前，我們先來談談熵 。物理學中的字典定義是:“代表系統熱能轉換為機械功的不可用性的熱力學量 。”熱力學第二定律要求宇宙朝著熵增加的方向運動 。
這似乎有點復雜，所以讓我們把熵看作是系統中隨機性或無序度的一種度量 。一個有序的系統有足夠的能量去做它需要做的事情 。如果它產生(或獲得)更多的能量，那就表現為更高的熵狀態 。
生物是高度有序的，需要不斷輸入能量來維持低熵狀態 。它們產生廢物和副產品，當然，作為生命過程的一部分，它們也會損失能量 。進入一個系統的能量越多，隨后被該系統散失到周圍環境中的能量越多 ， 事物就會變得越不有序，越不隨機 。本質上，它的熵狀態變得越高 。
當你觀察對一個星球上的生命有貢獻的系統時，生物學中的熵就發揮作用了 。Petraccone寫道:“熵產生的程度與這種系統消耗自由能的能力成正比 ， 從而“存活”，進化，變得更加復雜 。一般來說，復雜自組織結構的出現必須超過熵產生的某個閾值 。因此，熵產生可以被認為是驅動生命出現和進化的熱力學推力 ?！?br>這讓我們想到了“行星熵產”(PEP)值，它可以幫助科學家鎖定可能適合生命的行星 。最適合居住的地方將是生命能夠產生最大熵的地方 。生命形式越復雜和動態，它們產生的熵就越多，它們保持的PEP值就越高 。Petraccone提出，不同的行星或多或少會有能量潛力，預測哪些行星最有可能適合居住 。
行星熵產生在生命探索中的應用
弄清楚一個星球上的生命發生在哪里以及是否發生是很重要的 。首先，它需要位于其恒星的環星宜居帶(CHZ)內 。那是水可以以液態存在于地表的地方 。行星在CHZ中的軌道位置也很重要 。如果它太靠近內部邊緣，由于恒星加熱(和失控的溫室效應)，它可能會失去所有的水 。如果它更靠近外緣，它可能不像在CHZ中心地區的那樣好客 。此外，一個給定的行星可能在該區域的完美部分，但在支持生物圈方面有其他挑戰 。
為什么不在整個CHZ尋找行星呢？CHZ的內外邊緣之間存在熱力學差異 。內緣更有利于復雜生物圈的發展 。PEP和類地行星的可用自由能都隨著恒星溫度的升高而增加 。有了這些信息，Petraccone和他的團隊應用他們的計算來評估一個選定的可居住行星樣本的PEP和自由能 。
科學家們還需要計算出一個世界的PEP值的上限，以及它作為恒星溫度和行星軌道參數的函數而接收到的相應自由能 。例如，Petraccone寫道，只有G星和F星CHZ中的類地行星的PEP值才能高于地球值(地球是我們用來比較的) 。這意味著它們可能支持生命 ， 而不是在可居住區的其他地方 。
為什么使用PEP作為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 ， 所謂的“海洋”世界似乎是熱力學上最好的候選者 。這些行星有液態水海洋和富含氫氣的大氣層 。我們的星球就是一個很好的例子，可以作為評估的“路線圖” ?？茖W家們已經在用地球做類比，研究適合居住的世界的陸地和海洋的最佳組合 。它靠近太陽CHZ的內邊緣，這使它處于具有較高PEP值的正確位置 。
如果我們假設地球的PEP值是生命所必需的，那么它允許行星科學家提出一個“熵可居住區”(或EHZ) 。它包括距離一顆行星有液態水的恒星加上高PEP值的距離 。將這些標準應用于行星，似乎低質量恒星周圍的世界不會產生足夠高的EHZ來維持生命 。M星和K星也不行 。然而 ， F星和G星周圍的一些星球可能會落在幸運的“區域”,并開始發展生命 。
選擇那些可能適合居住的行星
這些天來，我們看到越來越多的圍繞附近恒星的系外行星的發現 。檢查它們來尋找生命幾乎是不可能的 。因此，科學家需要一些有用的標準來優先考慮研究目標 。除了其他因素，熵產生似乎是一個很好的指標，表明一個給定的世界是否可以容納生命——以及生命有多復雜 。
有趣的是，使用PEP和EHZ的存在作為評估一個世界的方法的一個主要優點是，它不需要對它的大氣條件進行假設 。這些因素也不意味著任何特定世界生命系統化學基礎的結論 。它們只是為科學家提供了一種方式來評估一個世界，因為他們篩選了數以千計的系外行星進行進一步研究 。