熵可能是行星宜居性的关键

　　我们都知道，要在一个世界上生存，你需要三样关键的东西: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星球是否能够维持和生长复杂的生命方面发挥着作用。

　　科学家Luigi Petraccone是意大利那不勒斯大学的化学研究员，他研究了行星的熵。他对科学家如何选择适宜居住的行星很感兴趣。他在《皇家天文学会月报》上发表了一篇论文，研究了所谓的“行星熵产”(PEP)。下面是它的工作原理。

　　一个宜居的世界需要一个生物圈，里面有生物。所有生命都在利用可用的水、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，它需要一个相对较高的PEP。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。而且，根据Petraccone的论文，生命的化学基础是什么并不重要——无论是碳、硅还是其他元素。重要的是生活如何变得更复杂。

　　在我们深入研究Petraccone的论文之前，我们先来谈谈熵。物理学字典上的定义是:“一个热力学量，表示系统的热能不能转化为机械能。”热力学第二定律要求宇宙沿着熵增加的方向运动。

　　这看起来有点复杂，所以让我们把熵看作是系统中随机性或无序性的度量。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，就会以更高的熵态来表示。

　　生物是高度有序的，需要不断的能量输入来维持低熵状态。它们产生废物和副产品，当然，作为生命过程的一部分，它们会损失能量。越多的能量进入一个系统，随后又被这个系统流失到它的周围环境中，事物就变得越无序、越随机。本质上，它的熵态越高。

　　当你观察一个星球上产生生命的系统时，生物学中的熵就开始发挥作用了。Petraccone写道:“熵产生的程度与这些系统消耗自由能的能力成正比，从而‘生存’，进化，在复杂性中增长。”一般来说，复杂自组织结构的出现必须超过一定的熵产阈值。因此，熵的产生可以被认为是推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，它可以帮助科学家找到可能适合生命存在的行星。最适宜居住的星球将是生命能产生最多熵的地方。生命形式越复杂、越动态，其产生的熵越大，其PEP值也越高。Petraccone提出，不同的行星或多或少都有能量潜力，从而预测哪些行星最有可能适合居住。

　　弄清楚一颗行星上生命存在的位置和是否存在是很重要的。首先，它需要在其恒星的星周宜居带(CHZ)内。也就是水以液态存在于地表的地方。行星在CHZ的轨道位置也很重要。如果它太靠近内部边缘，它可能会因为恒星加热(和失控的温室效应)而失去它所拥有的水分。如果它靠近外围边缘，它可能不会像CHZ中心区域那样好客。此外，一个给定的行星可能处于该区域的完美部分，但在支持生物圈方面存在其他挑战。

　　为什么不在整个CHZ寻找行星呢?CHZ的内外边缘存在热力学差异。内缘更有利于复杂生物圈的发展。类地行星的PEP和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宜居行星样本的PEP和自由能。

　　科学家们还需要计算出行星PEP值的上限以及相应的自由能，这是恒星温度和行星轨道参数的函数。例如，Petraccone写道，在G和F恒星的CHZ中，只有类地行星的PEP值才会高于地球值(我们用地球作比较)。这意味着它们很可能支持生命，而不像其他宜居带的行星。

　　有趣的是，在最近提出的可居住的系外行星中，所谓的“Hycean”世界似乎是热力学上最好的候选者。这些行星有液态水、海洋和富含氢的大气层。我们的地球就是一个很好的例子，可以作为评估的“路线图”。科学家们已经在以地球为参照，研究适合人类居住的陆地和海洋的最佳组合。它靠近太阳CHZ的内缘，这使它处于具有更高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“熵适居带”(或EHZ)。它包括行星与有液态水的恒星的距离加上高PEP值。将这些标准应用到行星上，低质量恒星周围的世界似乎不会发展出足够高的EHZ来维持生命。M和K也不能。然而，F和G恒星周围的一些世界可能会落在幸运的“区域”，并继续发展生命。

　　这些天来，我们发现越来越多的系外行星围绕着附近的恒星。为了寻找生命而检查它们几乎是不可能的。因此，科学家需要一些有用的标准来确定研究目标的优先顺序。与其他因素一起，熵的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中的存在作为评估一个世界的一种主要优势是，它不需要对其大气条件进行假设。这些因素也不意味着对任何给定世界上生命系统的化学基础作出任何结论。它们只是为科学家在筛选数千颗系外行星进行进一步研究时对一个世界进行评级提供了一种方法。

　　更多信息:Luigi Petraccone，行星熵产生作为系外行星可居住性的热力学约束，《皇家天文学会月报》(2023)。DOI: 10.1093 / mnras / stad3526

　　今日宇宙提供

　　引用本文:熵可能是行星可居住性的关键(2023,12月14日)2023年12月14日从https://phys.org/news/2023-12-entropy-key-planet-habitability.html检索

　　本文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。