【博科園-科學(xué)科普】在尋找能夠支持外星生命的星球時，科學(xué)家們目前依賴于“低垂的果實”方法。既然我們只知道一生命可以繁榮的條件，即我們在地球上所擁有的條件，那么尋找有同樣條件的世界是有意義的。這些包括位于恒星的宜居帶內(nèi)，有穩(wěn)定的大氣層，并能在表面保持液態(tài)水。
【博科園-科學(xué)科普】在尋找能夠支持外星生命的星球時，科學(xué)家們目前依賴于“低垂的果實”方法。既然我們只知道一生命可以繁榮的條件，即我們在地球上所擁有的條件，那么尋找有同樣條件的世界是有意義的。這些包括位于恒星的宜居帶內(nèi)，有穩(wěn)定的大氣層，并能在表面保持液態(tài)水。
圖顯示了一顆恒星的光照亮了行星的大氣層。圖片版權(quán)： NASA Goddard Space Flight Center
到目前為止科學(xué)家們一直依靠的方法使得探測到地球大氣層中的水蒸氣變得非常困難。但是多虧了由美國國家航空航天局戈達(dá)德太空研究所(GISS)的Yuka Fujii領(lǐng)導(dǎo)的一項新的研究，這可能即將改變。利用一種新的三維模型來考慮全球環(huán)流模式，這項研究也表明可居住的系外行星可能比我們想象的更為普遍。
最近發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》上的這項研究名為“同步旋轉(zhuǎn)的溫帶陸地系外行星的nir驅(qū)動的潮濕上層大氣”。
熱木星wasp - 121b的概念圖提供了迄今為止最好的證據(jù)，證明了在一個太陽系外行星上的平流層。圖片版權(quán)：Bristol Science Centre/University of Exeter
簡單地來說液態(tài)水對于人類所知的生命至關(guān)重要。如果一個行星沒有足夠的溫暖的大氣層來維持足夠的液態(tài)水(按照數(shù)十億年的順序)，那么生命就不太可能出現(xiàn)并進(jìn)化。如果一個行星離它的恒星太遠(yuǎn)，它的表面水就會結(jié)冰，如果它太靠近，它的地表水就會蒸發(fā)掉到太空。
盡管在太陽系外行星的大氣層中已經(jīng)探測到了水，但在所有的情況下，這些行星都是巨大的氣態(tài)巨行星，它們與恒星之間的軌道非常緊密。(又名“熱木星”)。
雖然在熱木星的大氣層中探測到H2O信號，但在溫帶類地行星上發(fā)現(xiàn)分子特征，包括H2O，這是非常具有挑戰(zhàn)性的，因為行星半徑小(由于溫度較低，也可能是更大的平均分子量)。
當(dāng)涉及到巖態(tài)系外行星時，先前的研究被迫依賴一維模型來計算水的存在。這包括測量氫的損失，在平流層中，水蒸氣被分解成氫氣和氧氣，從暴露到紫外線輻射。通過測量氫在太空中消失的速度，科學(xué)家們將估計仍存在于表面的液態(tài)水的數(shù)量。
這些模型依賴于一些無法解決的假設(shè)，其中包括全球熱量和水汽蒸氣的傳輸，以及云層的影響。基本上先前的模型預(yù)測水汽上升到平流層，長期在這些行星表面溫度必須超過66°C(150°F)高于地球上的溫度。
這些溫度可能會在地表產(chǎn)生強大的對流風(fēng)暴。然而這些風(fēng)暴不可能是水到達(dá)平流層的原因，因為在緩慢旋轉(zhuǎn)的行星進(jìn)入潮濕的溫室狀態(tài)時，水蒸氣會加劇熱量。與母恒星緊密相連的行星要么是緩慢旋轉(zhuǎn)，要么是與它們的行星保持密切聯(lián)系，從而使對流風(fēng)暴不太可能發(fā)生。
這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在那些位于低質(zhì)量、超冷、m型(紅矮星)周圍的類地行星上。對于這些行星，它們靠近它們的主恒星意味著它的引力影響將足夠強大，以減緩或完全停止它們的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)這種情況發(fā)生時，厚厚的云層就會出現(xiàn)在地球的一邊，保護(hù)著它遠(yuǎn)離恒星的大部分光線。
研究小組發(fā)現(xiàn)，雖然這可以保持白天涼爽，防止水汽上升，但近紅外輻射(NIR)的數(shù)量可以提供足夠的熱量，使地球進(jìn)入一個潮濕的溫室狀態(tài)。這種現(xiàn)象在m型和其他冷矮星中尤其明顯，它們在NIR中產(chǎn)生的更多。當(dāng)輻射使云層變暖時，水汽將上升到平流層。
比鄰星b的概念圖，最接近太陽系的外行星。在背景中可以看到半人馬座阿爾法星的雙星系統(tǒng)。圖片：ESO/M. Kornmesser
為了解決這個問題，依賴于大氣環(huán)流和氣候異質(zhì)性的三維通用循環(huán)模型(GCMs)。研究團(tuán)隊開始創(chuàng)建一個有著類似地球大氣層的行星，并且完全被海洋覆蓋。這使得團(tuán)隊能夠清楚地看到不同類型的恒星之間的距離變化對行星表面的影響。
這些假設(shè)讓團(tuán)隊清楚地看到，如何改變軌道距離和類型的恒星輻射影響了平流層中水蒸氣的含量。使用一個模型更實際地模擬大氣條件下發(fā)現(xiàn)了一種新的過程控制系外行星的宜居性和將為進(jìn)一步研究指導(dǎo)我們確定候星…發(fā)現(xiàn)一個重要的角色類型恒星發(fā)出的輻射和影響它對太陽系外行星的大氣環(huán)流在潮濕的溫室狀態(tài)。
最后該團(tuán)隊的新模型證明了，由于低質(zhì)量恒星發(fā)出的大部分光在NIR波長上，一個潮濕的溫室狀態(tài)將會導(dǎo)致行星與它們緊密地運行。這將導(dǎo)致它們表面的條件與地球在熱帶地區(qū)的經(jīng)驗相比較，那里的條件是熱的和潮濕的，而不是炎熱和干燥的。
行星表面的印象圖，接近b環(huán)繞紅矮星比鄰星，雙星阿爾法星AB在比鄰星的右上方可見。圖片：ESO
更重要的是模型表明，由nir驅(qū)動的過程逐漸增加了平流層的濕度，以至于在離恒星更近的系外行星可以保持適宜居住。這種評估潛在適居性的新方法將允許天文學(xué)家模擬行星大氣層的循環(huán)和這種循環(huán)的特殊特征，這是一維模型無法做到的。
在未來，該小組計劃評估行星特征的變化——例如重力、大小、大氣成分和表面壓力——可能會影響水汽的循環(huán)和可居住性。這將和他們的三維模型一起考慮行星環(huán)流模式，使天文學(xué)家能夠更準(zhǔn)確地確定遙遠(yuǎn)行星的潛在可居性。正如Anthony Del Genio所指出的：只要我們知道恒星的溫度，就能估計靠近恒星的行星是否有可能處于潮濕的溫室狀態(tài)。”目前的技術(shù)將被推向極限，在一個系外行星的大氣中探測少量的水蒸氣。如果有足夠的水被探測到，這可能意味著地球在潮濕的溫室里。
除了為天文學(xué)家提供一種更全面的方法來確定外行星適居性之外，這項研究對那些希望在m型恒星周圍找到可居住的行星的外行星們來說也是一個好消息。低質(zhì)量，超冷，m型恒星是宇宙中最常見的恒星，約占銀河系所有恒星的75%。他們知道他們可以支持可居住的系外行星，這大大增加了找到一顆行星的機率。
圖中顯示了trappist - 1f的可能表面，這是trappist - 1系統(tǒng)中新發(fā)現(xiàn)的行星之一。圖片： NASA/JPL-Caltech
此外這項研究是一個非常好的消息，因為最近大量的研究已經(jīng)使人們對m型恒星能夠容納適宜居住的行星的能力產(chǎn)生了嚴(yán)重的懷疑。這項研究是為了回應(yīng)近年來在紅矮星附近發(fā)現(xiàn)的許多類地行星。所揭示的是紅矮星會經(jīng)歷太多的耀斑，可能會將它們各自大氣層的行星都剝離出來。
其中包括7-planet TRAPPIST-1系統(tǒng)(三個位于恒星的宜居帶)和最近的太陽系外行星,比鄰星b。大量的類地行星斜恒星周圍發(fā)現(xiàn)的，加上這類恒星的自然壽命,使得很多紅矮星的天體物理社會風(fēng)險可能是最有可能的地方找到適合居住的行星。這項最新的研究表明，這些行星可能是適合人類居住的球。
知識：科學(xué)無國界，博科園-科學(xué)科普
參考：NASA, The Astrophysical Journal
作者：Matt Williams
