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发现不仅系外行星上有水,而且卫星上也有,生命或许不止于地球!

2020-09-16  博科园

几年前行星科学家林奈·奎克开始怀疑,在已知的4000多颗系外行星中,是否有任何一颗可能与木星和土星周围一些含水卫星相似。虽然其中一些卫星没有大气层,并且被冰覆盖,但它们仍然是美国宇航局(NASA)寻找地球以外生命的首要目标之一。土星的卫星土卫二和木星卫星木卫二就是很好的例子,科学家们将其归类为“海洋世界”。美国宇航局专门研究火山和海洋世界的行星科学家奎克说:

从木卫二和土卫二喷出的水柱,可以断定,这些天体的冰壳下面有地下海洋,它们有驱动这些羽流的能量,这是我们所知生命的两个必要条件。因此,如果认为这些地方可能是宜居的,那么也许其他行星系统中的这些地方也是宜居的。假设很多星系中存在类似于木卫二和土卫二的行星卫星。而且,它们在地质上是否也足够活跃,可以将地下羽流射入它们的表面,有朝一日可能会被望远镜探测到。

通过对数十颗系外行星(包括TRAPPIST-1系统中的行星)的数学分析,研究人员了解到了一些重要的东西:研究的系外行星中,超过四分之一可能是海洋世界,其中大多数可能在表层冰层下藏匿着海洋,类似于木卫二和土卫二。此外,这些行星中的许多可能比木卫二和土卫二释放更多能量。有朝一日,科学家们或许可以通过测量系外行星发出的热量,或者通过探测行星大气中分子发出光中的火山或冷火山(液体或蒸汽,而不是熔岩)喷发,来检验这些预测。

宜居世界

目前,科学家们还不能看到许多系外行星的任何细节,因为实在太远了,被星光淹没了。但是,通过考虑唯一可用的信息(系外行星的大小、质量和与其恒星的距离),科学家可以利用数学模型和对太阳系的理解,试图想象可能正在将系外行星塑造成宜居世界的条件。这些数学模型中的假设是有根据的猜测,可以帮助科学家缩小有希望的系外行星名单,以寻找有利于生命的条件,以便美国宇航局(NASA)未来发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜或其他太空任务可以后续进行研究。

未来寻找太阳系以外生命迹象的任务,将集中在像地球这样拥有丰富全球生物圈的行星上,这些生物圈如此丰富,以至于正在改变整个大气层的化学成分。但在太阳系中,远离太阳热量的冰冻卫星上有海洋,它们仍然显示出它们具有生命所必需的特征。为了寻找可能的海洋世界,研究团队选择了53颗大小与地球最相似的系外行星,尽管它们的质量可能高出8倍。科学家们假设,这种大小的行星更多的是岩态行星,而不是气态行星,因此,更有可能在其表面或表面以下支撑液态水。

自开始研究以来,至少又发现了30多颗符合这些参数的行星,其研究发现发表在《太平洋天文学会》期刊上。确定了地球大小的行星后,研究团队试图确定每颗行星能产生多少能量,并以热量的形式释放出来。研究小组考虑了两个主要的热源,第一种是放射性热能,由行星地幔和地壳中放射性物质的缓慢衰变产生,历时数十亿年。衰变的速度取决于行星的年龄和地幔质量,其他科学家已经为地球大小的行星确定了这些关系。

因此,研究团队假设每颗行星的年龄与其恒星相同,其地幔占行星体积的比例与地球地幔相同。接下来,研究人员计算了其他方式产生的热量:潮汐力,这是当一个物体围绕另一个物体运行时,重力牵引产生的能量。行星在椭圆形的轨道上绕着它们旋转时,会移动它们与恒星之间的距离。这会导致两个物体之间的引力发生变化,并导致行星“伸展”,从而产生热量,最终热量通过表面散失到太空中。另外就是通过火山或冰冷火山,另一种途径是通过构造,这是一种地质过程,负责行星或卫星最外层的岩石或冰层运动。

有水系外卫星

无论热量是以哪种方式释放出来,知道一颗行星排出了多少热量都是很重要的,因为它可能决定是否适合居住。例如,太多的火山活动可能会把一个宜居世界变成一个熔化地狱。但是,太少的话可能会关闭组成大气的气体释放,留下寒冷、贫瘠的表面。恰到好处的量可以支持像地球这样宜居、潮湿的行星,或者像木卫二这样可能宜居的卫星。在接下来的十年里,美国宇航局欧罗巴快艇将探索欧罗巴的表面和亚表面,并提供关于表面下环境的洞察。

科学家对木卫二和太阳系其他潜在宜居卫星的了解越多,就越能更好地了解其他恒星周围类似的世界,根据发现,这可能是丰富的。即将到来的任务将给我们一个机会,看看太阳系中的海洋卫星是否可以支持生命,如果发现生命的化学信号,就可以尝试在星际距离寻找类似的信号。当韦伯望远镜发射时,科学家们将试图检测TRAPPIST-1系统中一些行星大气中的化学特征,该系统位于宝瓶座,距离地球39光年,有7颗地球大小的行星。

科学家通过确定每一颗行星的表面温度,预测这些系外行星上有海洋。这些信息是通过每颗行星反射到太空中的恒星辐射量来揭示,每颗行星密度以及与地球相比它产生的内部热量的估计数量。如果看到一颗行星的密度比地球密度低,这表明那里可能有更多的水,而没有那么多的岩石和铁。如果行星的温度允许液态水存在,也就有了海洋世界。但如果一颗行星的表面温度低于32华氏度(0摄氏度),那里的水被冻结,那么就会有一个结冰的海洋世界,而这些行星的密度甚至更低。

博科园|研究/来自:美国宇航局戈达德太空飞行中心

研究发表期刊《太平洋天文学会》

DOI: 10.1088/1538-3873/ab9504

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