Ентропията може да е ключът към обитаемите чужди светове

Всички знаем, че за да има живот на една планета, са необходими три важни елемента: вода, топлина и храна. Сега добавете към тях фактора, наречен „ентропия“. Той играе роля при определянето на това дали дадена планета може да поддържа и развива сложен живот.

Ученият Луиджи Петраконе, експерт по химия в Неаполитанския университет в Италия, изследва планетарната ентропия. Той се интересува от това по какъв начин учените избират планетите, които биха могли да бъдат обитаеми. Той публикува статия, в която описва нещо, наречено „планетарно производство на ентропия“ (PEP, planetary entropy production). Ето как работи това.

Един обитаем свят се нуждае от биосфера с живи същества в нея. Целият живот се развива и расте, като използва наличните ресурси от вода, топлина и храна. Оказва се, че ентропията неизбежно се проявява в биосферата на даден свят. И тя се нуждае от сравнително висок PEP.

Това увеличава вероятността на подобен свят да има сложни живи системи и означава, че той би бил добра цел за изследване за наличието на живот. И според статията на Петраконе няма значение каква е химическата основа на този живот – дали въглерод, силиций или някакъв друг елемент. Важното е по какъв начин животът се развива в посока към увеличаване на своята сложност.

Какво всъщност е ентропията?

Преди да разгледаме статията на Петраконе, нека поговорим за ентропията. Дефиницията в речника по физика е: „термодинамична величина, представяща невъзможността топлинната енергия на дадена система да се превърне в механична работа„.

Вторият закон на термодинамиката изисква Вселената да се движи в посока, в която ентропията се увеличава.

Това изглежда малко сложно, така че нека си представим ентропията като мярка за случайността или безпорядъка в дадена система. Една добре организирана система разполага с точно толкова енергия, колкото е необходимо, за да върши нещата, които трябва да върши.

Ако тя произвежда (или придобива) повече енергия, това се изразява в по-високо състояние на ентропията. Живите организми са силно организирани и се нуждаят от постоянен приток на енергия, за да поддържат състояние на необходимата ентропия.

Те създават отпадъци и странични продукти и, разбира се, губят енергия като част от жизнения процес. Колкото повече енергия постъпва в една система и впоследствие се губи от нея в заобикалящата я среда, толкова по-малко подредени и по-случайни стават нещата. На практика състоянието на ентропия става по-високо.

Ентропията в биологията се проявява, когато се разглеждат различните системи, които допринасят за живота на дадена планета. Петраконе пише:

„Нивото на производство на ентропия е пропорционално на способността на тези системи да разсейват свободната енергия и по този начин да „живеят“, да еволюират, да нарастват по сложност. По принцип за появата на сложни самоорганизиращи се структури трябва да бъде надхвърлен определен праг на образуване на ентропия. По този начин образуването на ентропията може да се разглежда като термодинамична тяга, която стимулира появата и еволюцията на живота“.

Така стигаме до стойността на „планетарното производство на ентропия“ (PEP, Planetary Entropy Production), която може да помогне на учените да се насочат към вероятни планети, благоприятни за живот.

Най-пригодните за живот планети ще бъдат тези, на които животът може да генерира най-много ентропия. Колкото по-сложни и динамични са формите на живот, толкова повече ентропия ще произвеждат и толкова по-висока стойност на PEP ще поддържат. Петраконе предлага различните планети да се характеризират с по-голям или по-малък енергиен потенциал, като прогнозира кои планети е най-вероятно да бъдат обитаеми, а може би и обитавани.

Прилагане на идеята за планетарното производство на ентропия в търсенето на живот

Важно е да се разбере къде е разположена и дали има живот на дадена планета. Първо, тя трябва да се намира в околозвездната обитаема зона (CHZ, circumstellar habitable zone) на своята звезда. Това е мястото, където водата може да съществува на повърхността в течно състояние.

От значение е също така къде в CHZ зоната орбитира планетата. Ако е твърде близо до вътрешната граница, тя може да изгуби водата, която има, поради нагряването от звездата (и прекомерния парников ефект). Ако е по-близо до външния ръб, тя може да не е толкова гостоприемна, колкото тази в централната част на CHZ. Освен това дадена планета може да се намира в идеалната част на зоната, но да има други предизвикателства за поддържането на биосфера.

Защо да не търсим планети в цялата CHZ зона? Съществуват термодинамични разлики между вътрешните и външните краища на обитаемата зона. Вътрешният край е по-благоприятен за развитието на сложни биосфери.

Както PEP, така и наличната свободна енергия за земеподобните планети нарастват със звездната температура. С тази информация Петраконе и екипът му прилагат своите модели и разчети, за да оценят PEP и свободната енергия за избрана извадка от предполагаеми обитаеми планети.

Учените трябва да разберат и горната граница на стойността на PEP на даден свят и съответната свободна енергия, която той получава като функция на звездната температура и орбиталните параметри на планетата.

Така например Петраконе отбелязва, че само подобни на Земята планети в CHZ зоната на звездите от типа G и F могат да имат стойност на PEP, по-висока от стойността за Земята (Земята е тази, която използваме за сравнение). Това означава, че е много вероятно именно на тях да има живот, за разлика от планетите в другите части на обитаемата зона.

Защо да използваме PEP като аргумент за обитаемостта на планетите?

Интересно е, че сред наскоро предложените обитаеми екзопланети, така наречените „хицеанови“ светове изглеждат термодинамично най-добрите кандидати. Това са планети с океани от течна вода и богати на водород атмосфери. Нашата планета е един от най-добрите примери и може да се използва като „пътна карта“ за оценка.

Учените вече изучават най-доброто съотношение между суша и океани за даден обитаем свят, като използват Земята като аналог. Тя се намира близо до вътрешния ръб на CHZ на Слънцето, което я поставя на правилното място, за да има по-висока стойност на PEP.

Ако приемем, че стойността на PEP на Земята е точно необходимата за съществуването на живот, то това позволява на планетарните учени да измислят „ентропийна обитаема зона“ (или EHZ, entropic habitable zone). Тя включва разстоянието от звездата, на което дадена планета има течна вода плюс висока стойност на PEP.

Прилагайки тези критерии към планетите, се оказва, че световете около звездите с малка маса не биха развили достатъчно висока EHZ, за да поддържат живот. Нито пък звездите от типа M и K. Въпреки това известна част от световете около звездите от категориите F и G биха могли да попаднат в щастливата „зона“ и да продължат да развиват живот.

Селектиране на възможните обитаеми планети

В наши дни все по-често започнахме да откриваме екзопланети около близките звезди. Изследването на всички тях за търсене на живот е почти невъзможно. Затова учените се нуждаят от някакви подходящи и полезни критерии, за да определят приоритетните цели за изследване.

Заедно с другите фактори създаването на ентропия изглежда е добър показател за това дали даден свят може да приюти живот – и колко сложен е този живот.

Интересно е, че основното предимство на използването на PEP и присъствието в EHZ като начин за оценка на даден свят е, че не изисква допускания за състоянието на атмосферата му. Тези фактори не предполагат и каквито и да било констатации относно химическата основа на живите системи в даден свят.

Те просто предоставят на учените начин да оценят даден свят, докато пресяват хилядите екзопланети за по-нататъшно проучване.