Мы все знаем, что для существования жизни на планете нужны три важнейших предмета: вода, тепло и еда. Теперь добавьте к этому фактор, называемый «энтропией». Он играет роль в определении того, сможет ли данная планета поддерживать и развивать сложную жизнь.
Ученый Луиджи Петракконе, исследователь химии из Неаполитанского университета в Италии, изучал планетарную энтропию. Его интересует, как ученые выбирают планеты, которые могут быть обитаемы. Он опубликовал статью, в которой исследуется так называемое «производство планетарной энтропии» (PEP). Вот как это работает.
Обитаемому миру нужна биосфера, в которой живут существа. Вся жизнь растет и расширяется, используя доступные водные, тепловые и пищевые ресурсы. Как оказалось, энтропия действует внутри мировой биосферы. И для этого требуется относительно высокий PEP. Это повышает вероятность наличия у него сложных живых систем и означает, что он станет хорошей целью для исследования. И, согласно статье Петракконе, не имеет значения, какова химическая основа этой жизни — углерод, кремний или какой-то другой элемент. Важно то, как жизнь становится все более сложной.
Что такое энтропия?
Прежде чем мы углубимся в статью Петракконе, давайте поговорим об энтропии. Словарное определение в физике звучит так: «термодинамическая величина, отражающая недоступность тепловой энергии системы для преобразования в механическую работу». Второй закон термодинамики требует, чтобы Вселенная двигалась в направлении увеличения энтропии.
Это кажется немного сложным, поэтому давайте подумаем об энтропии как о мере случайности или беспорядка в системе. Упорядоченная система обладает ровно достаточным количеством энергии, чтобы делать то, что ей нужно. Если он производит (или получает) больше энергии, это выражается в более высоком состоянии энтропии. Живые существа высокоупорядочены и требуют постоянного поступления энергии для поддержания состояния низкой энтропии. Они производят отходы и побочные продукты и, конечно же, теряют энергию в процессе жизнедеятельности. Чем больше энергии поступает в систему и впоследствии теряется этой системой в окружающую среду, тем менее упорядоченными и более случайными становятся вещи. По сути, тем выше становится его энтропийное состояние.
Энтропия в биологии вступает в игру, когда вы смотрите на системы, которые способствуют жизни на планете. Петракконе пишет: «Масштаб производства энтропии пропорционален способности таких систем рассеивать свободную энергию и, таким образом, «жить», развиваться и усложняться. Как правило, для возникновения сложных самоорганизующихся структур необходимо превысить определенный порог производства энтропии. Таким образом, производство энтропии можно рассматривать как термодинамическую движущую силу, которая стимулирует возникновение и эволюцию жизни».
Это подводит нас к значению «производства планетарной энтропии» (PEP), которое может помочь ученым нацелиться на вероятные пригодные для жизни планеты. Наиболее пригодными для жизни будут те, где жизнь может генерировать наибольшую энтропию. Чем сложнее и динамичнее формы жизни, тем больше энтропии они производят и тем выше значение PEP они поддерживают. Петракконе предполагает, что разные планеты будут иметь больший или меньший энергетический потенциал, предсказывая, какие планеты, скорее всего, будут пригодны для жизни.
Применение производства планетарной энтропии к поиску жизни
Важно выяснить, где и возникает ли жизнь на планете. Во-первых, она должна находиться в пределах околозвездной обитаемой зоны (CHZ) своей звезды. Вот где вода может существовать на поверхности в жидком состоянии. Также имеет значение, где в ЧЗ вращается планета. Если он окажется слишком близко к внутреннему краю, он может потерять всю имеющуюся у него воду из-за звездного нагрева (и безудержного парникового эффекта). Если он ближе к внешнему краю, то может оказаться не таким гостеприимным, как в центральной части ЧЗ. Кроме того, данная планета может находиться в идеальной части зоны, но иметь другие проблемы с поддержанием биосферы.
Почему бы не поискать планеты по всей ЧЗ? Между внутренним и внешним краями ЗК существуют термодинамические различия. Внутренний край более выгоден для развития сложных биосфер. И PEP, и доступная свободная энергия для планет земного типа увеличиваются с ростом температуры звезды. Имея эту информацию, Петракконе и его команда применили свои расчеты для оценки PEP и свободной энергии для выбранной выборки предполагаемых обитаемых планет.
Ученым также необходимо выяснить верхний предел мирового значения PEP и соответствующую свободную энергию, которую он получает в зависимости от температуры звезды и параметров планетарных орбит. Петракконе пишет, например, что только планеты земного типа в ХЗ звезд G и F могут иметь значение PEP выше земного значения (Земля – это то, что мы используем для сравнения). Это означает, что на них, скорее всего, будет поддерживаться жизнь, в отличие от планет в других частях обитаемой зоны.
Зачем использовать ПКП в качестве обоснования обитаемости планеты?
Интересно, что среди недавно предложенных обитаемых экзопланет термодинамически лучшими кандидатами кажутся так называемые «гиковские» миры. Это планеты с жидкими водными океанами и богатой водородом атмосферой. Наша планета является хорошим примером и может использоваться в качестве «дорожной карты» для оценки. Ученые уже изучают наилучшее сочетание суши и океанов для создания обитаемого мира, используя Землю в качестве аналога. Он расположен близко к внутреннему краю CHZ Солнца, что позволяет ему иметь более высокое значение PEP.
Если мы предположим, что значение PEP Земли необходимо для жизни, то это позволит ученым-планетологам придумать «энтропийную обитаемую зону» (или EHZ). Он включает в себя расстояние от звезды, где на планете есть жидкая вода, плюс высокое значение PEP. Примените эти критерии к планетам, и окажется, что миры вокруг звезд малой массы не смогут развить достаточно высокую ЭГЗ для поддержания жизни. Не могли этого сделать и звезды М и К. Однако некоторая часть миров вокруг звезд F и G может приземлиться в счастливой «зоне» и продолжить развитие жизни.
Выбор возможных обитаемых планет
В наши дни мы видим все больше и больше открытий экзопланет вокруг близлежащих звезд. Исследовать их все в поисках жизни практически невозможно. Таким образом, ученым нужны некоторые полезные критерии для определения приоритетности целей для исследования. Наряду с другими факторами, производство энтропии, по-видимому, является хорошим индикатором того, может ли данный мир содержать жизнь — и насколько сложна эта жизнь.
Интересно, что основным преимуществом использования PEP и присутствия в EHZ как способа оценки мира является то, что он не требует предположений о состоянии его атмосферы. Эти факторы также не подразумевают каких-либо выводов о химической основе живых систем в каком-либо конкретном мире. Они просто дают ученым возможность оценить мир, просматривая тысячи экзопланет для дальнейшего изучения.
Для дополнительной информации
Производство планетарной энтропии как термодинамическое ограничение обитаемости экзопланет
