Энтропия может быть ключом к определению пригодности планеты для жизни

Мы все знаем, что для того, чтобы на планете была жизнь, необходимы три важнейших элемента: вода, тепло и пища. Теперь добавьте к этому фактор под названием "энтропия". Он играет важную роль в определении того, сможет ли данная планета поддерживать и развивать сложную жизнь.

Ученый Луиджи Петракконе (Luigi Petraccone), исследователь химии в Неаполитанском университете в Италии, изучал энтропию планет. Его интересует, как ученые отбирают планеты, которые могут быть пригодны для жизни. Он опубликовал в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society работу, в которой рассматривается то, что называется "производство планетарной энтропии" (PEP). Вот как это работает.

Для пригодного для жизни мира необходима биосфера с живущими в ней существами. Все живое растет и расширяется, используя доступные ресурсы воды, тепла и пищи. Получается, что энтропия играет роль внутри биосферы мира. И ей необходим относительно высокий уровень PEP. Это делает более вероятным наличие сложных живых систем и означает, что они станут хорошей целью для исследования. И, согласно статье Петраконе, неважно, какова химическая основа этой жизни - углерод, кремний или какой-то другой элемент. Важно то, как жизнь развивается и усложняется.

Что такое энтропия?

Прежде чем мы погрузимся в статью Петраконе, давайте поговорим об энтропии. Словарное определение в физике звучит следующим образом: "Термодинамическая величина, представляющая собой 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 имеет ровно столько энергии, чтобы делать то, что ей нужно. Если она производит (или получает) больше энергии, это выражается в более высоком уровне энтропии.

Живые существа отличаются высокой упорядоченностью и требуют постоянного притока энергии для поддержания состояния низкой энтропии. Они производят отходы и побочные продукты и, конечно, теряют энергию как часть процесса жизни. Чем больше энергии поступает в систему и впоследствии теряется ею в окружающее пространство, тем менее упорядоченными и более случайными становятся вещи. По сути, тем выше становится состояние энтропии.

Энтропия в биологии проявляется, когда Вы рассматриваете системы, способствующие возникновению жизни на планете. Петракконе пишет: "Степень производства энтропии пропорциональна способности таких систем рассеивать свободную энергию и, таким образом, "жить", эволюционировать, расти в сложности. Как правило, для возникновения сложных самоорганизующихся структур необходимо превысить определенный порог производства энтропии. Таким образом, производство энтропии можно рассматривать как термодинамическую тягу, которая движет возникновением и эволюцией жизни."

Это подводит нас к значению "планетарного производства энтропии" (PEP), которое может помочь ученым определить вероятные планеты, пригодные для жизни. Наиболее пригодными для жизни будут те, где жизнь может генерировать наибольшее количество энтропии. Чем сложнее и динамичнее формы жизни, тем больше энтропии они будут производить и тем более высокое значение PEP они будут поддерживать. Петракконе предполагает, что разные планеты будут обладать большим или меньшим энергетическим потенциалом, предсказывая, какие планеты, скорее всего, будут пригодны для жизни.

Применение планетарного производства энтропии для поиска жизни

Выяснить, где и есть ли жизнь на планете, очень важно. Во-первых, она должна находиться в пределах околозвездной обитаемой зоны (ОЗЗ) своей звезды. Именно там вода может существовать на поверхности в жидком состоянии. Также имеет значение, в каком месте CHZ планета вращается. Если она находится слишком близко к внутреннему краю, она может потерять всю имеющуюся у нее воду из-за звездного нагрева (и неминуемого парникового эффекта). Если она находится ближе к внешнему краю, она может оказаться не такой гостеприимной, как та, что расположена в центральной части ЧЗ. Кроме того, данная планета может находиться в идеальной части зоны, но иметь другие проблемы с поддержанием биосферы.

Почему бы не искать планеты по всей ЧЗ? Существуют термодинамические различия между внутренним и внешним краями ЧЗ. Внутренний край более благоприятен для развития сложных биосфер. И PEP, и доступная свободная энергия для землеподобных планет увеличиваются с ростом звездной температуры. Получив эту информацию, Петракконе и его команда применили свои расчеты для оценки PEP и свободной энергии для выбранной выборки предполагаемых пригодных для жизни планет.

Ученым также необходимо определить верхний предел значения PEP планеты и соответствующую свободную энергию, которую она получает в зависимости от звездной температуры и параметров планетарной орбиты. Например, Петракконе пишет, что только землеподобные планеты в ЧЗ звезд G и F могут иметь значение PEP, превышающее земное значение (Земля - это то, что мы используем для сравнения). Это означает, что они, скорее всего, будут поддерживать жизнь, в отличие от планет в других частях обитаемой зоны.

Почему стоит использовать PEP в качестве обоснования обитаемости планет?

Интересно, что среди недавно предложенных экзопланет, пригодных для жизни, так называемые "гианские" миры представляются термодинамически наилучшими кандидатами. Это планеты с океанами жидкой воды и богатыми водородом атмосферами. Наша планета является хорошим примером и может быть использована в качестве "дорожной карты" для оценки. Ученые уже изучают оптимальное соотношение суши и океанов для пригодного для жизни мира, используя Землю в качестве аналога. Она расположена близко к внутреннему краю солнечного ЧДЗ, что делает ее подходящим местом для более высокого значения PEP.

Если мы предположим, что земное значение PEP необходимо для жизни, то это позволит ученым-планетологам придумать "энтропийную обитаемую зону" (или EHZ). Она включает в себя расстояние от звезды, на котором планета имеет жидкую воду плюс высокое значение PEP. Примените эти критерии к планетам, и окажется, что миры вокруг маломассивных звезд не смогут развить достаточно высокую EHZ для поддержания жизни. Не смогут этого сделать и звезды M и K. Однако какая-то часть миров вокруг звезд F и G могла бы приземлиться в "счастливой зоне" и продолжить развитие жизни.

Отбор возможных пригодных для жизни планет

В наши дни мы видим все больше и больше открытий экзопланет вокруг ближайших звезд. Изучить их все в поисках жизни практически невозможно. Поэтому ученым нужны какие-то полезные критерии, чтобы определить приоритетность объектов для изучения. Наряду с другими факторами, производство энтропии, похоже, является хорошим показателем того, может ли на данном мире существовать жизнь - и насколько сложна эта жизнь.

Интересно, что главным преимуществом использования PEP и присутствия в EHZ в качестве способа оценки мира является то, что это не требует предположений о состоянии атмосферы. Эти факторы также не подразумевают никаких выводов о химической основе живых систем в том или ином мире. Они просто дают ученым возможность оценить мир, когда они просеивают тысячи экзопланет для дальнейшего изучения.

Источник