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          2. 寻找宜居系外行星,就意味着寻找“地球2.0”?

            科普中国中央厨房 2021-04-09

              

              银河系中大概有数千亿颗系外行星。|ESO/M. Kornmesser

              作者|林文杰

              我们的银河系中大约有数十亿颗恒星。如果每颗恒星都至少有一颗行星,银河系中将有1000亿至4000亿颗行星。这当中是否有类似地球的行星?在那上面是否有像人类一样的智慧生命?这一直是天文学家探寻的目标。

              很长时间里,我们对行星的认识仅局限于太阳系内的八大行星,直到1995年,天文学家才第一次发现了围绕一颗类太阳恒星公转的系外行星——飞马座51b。不过在此后20年,人类发现的系外行星总数超过了4000颗,其中与地球相似的超级地球尤其引人注目。

              3月5日,《科学》杂志上的一篇论文报告说,天文学家又发现了一颗超级地球,名叫Gliese 486b。难得的是,这颗超级地球上仍然保留着大气成分,使得它没有那么炽热,并且成为天文学家进行行星大气研究的理想之地。

              有大气的超级地球

              Gliese 486b 是一颗岩质行星,质量为地球的2.8倍,半径为地球的1.31倍,相当于一颗超级地球。

              它的“太阳”是一颗红矮星,Gliese 486b 围绕着这颗红矮星,公转半径仅为250万公里,是目前发现的公转轨道最靠近恒星的系外行星之一。与之相应,它的公转周期非常短,只有1.5天,是超级地球的短周期版本,非常特别。

              距离恒星越近,行星受到近日物质的干扰会更严重,红矮星上爆发的耀斑也会直接作用在行星上,导致行星表面环境变得惨不忍睹。

              在如此恶劣的情况下,行星的大气物质往往会剥离、丢失,变得像彗星一样,一边公转一边拖着自己丢失的大气尾巴。但 Gliese 486b 还保留着由氢气和氦气构成的大气层,因而非常具有研究价值。

              过去数年,科学家发现的大多是短周期的气态行星,而 Gliese 486b 是像地球一样的岩质行星。借助它,我们能够研究在距离恒星如此近的轨道上,类地行星是如何丢失大气物质的,以及在剥离大气之后,行星表面会发生什么样的变化。

              事实上,这正是地球未来的命运,随着太阳进入红巨星阶段并向外膨胀,地球将被动成为这样一颗短周期行星。因此,看到Gliese 486b,就像是看到地球命运的预演。

              

              超级地球Gliese 486b的表面可能流淌着火山熔岩。|RenderArea

              它会是宜居行星吗?

              Gliese 486b 行星的表面温度预计为430°C,不算太热,比金星的表面温度还要低一些。但对于我们所理解的生命形式而言,还是太过炙热。

              相比于其他短周期行星,Gliese 486b的表面温度其实已经算是偏低的。比如距离地球41光年的巨蟹座55E系外行星,表面温度达到了2300°C。Gliese 486b的温度之所以比较低,可能正是受到大气层的影响,这也是它值得被研究的一个关键原因。

              事实上,目前在册的几乎所有短周期系外行星都不适合宜居。

              首先,它们公转轨道半径太小,会受到主星的深度影响,最直接的干扰就是表面温度极高。

              其次,短周期系外行星绝大部分可能被潮汐锁定,一面永远朝向恒星,温度极高,另一面则背向恒星,永远处于黑暗中,就像月球只有一面朝向地球那样,结果不仅温度极端,光照条件也非常极端,对整个行星的大气循环极为不利。

              第三,恒星的耀斑会直接作用到行星上,在面向恒星的一面产生强烈的电磁辐射,对我们所理解的生命形式极为不利。

              由此可见,超级地球 Gliese 486b 实际上并不宜居。那么宜居到底意味着什么呢?或许不单单是找到另一个地球那么简单。

              

              开普勒452b也是一颗超级地球,是最像地球的行星之一。但超级地球并不必然适宜人类居住。|NASA/Ames/JPL-Caltech

              宜居就意味着寻找“地球2.0”?

              说到宜居的系外行星,我们想象的一般是“地球模式”。

              它满足以下一些基本条件:首先,恒星表面温度合适,且寿命较长,有足够的时间让生命演化。其次,行星需要处于恒星周围的宜居带上,不冷不热,允许水以液态形式存在。此外,行星轨道要足够稳定,不能无缘无故就受到天体撞击,导致生命灭绝。

              基本就是要找到一个个“地球2.0”。毕竟我们目前所知的是,像地球这样的行星确实可以孕育生命。人类如果想要为未来星际移民寻找目的地,大概也要按这样的标准不断搜寻。可是如果要通过层层条件的筛选,我们会发现宜居的系外行星少之又少,仅恒星类型这一点就淘汰了银河系内90%的恒星。

              不过我们可以退一步想想,宜居行星就必需像地球一样吗?比如,我们通常认为,水是生命不可缺少的重要成分,但生命真的需要水么?它们必须是碳基生命吗?甚至,其所在行星一定需要太阳辐射来获得能量吗?

              或许并不一定。在宇宙的极端环境中,可能生存着超出我们理解范围的生命形式,就像科学家曾经在地球的深海热泉口发现一个全新的生机勃勃的生命世界一样。

              随着系外行星探测技术的进步,在未来,无论是宜居行星,还是超级地球,都会越来越多。人类或许需要扩展自己的想象力,明白宜居行星未必能孕育生命,而不在宜居带的星球上,也可能寄居着奇特的外星生命。

              毕竟,在银河系的大约数十亿颗恒星中,有些恒星像太阳一样,有多个行星围绕着运转,有些时候则是一个行星绕着两颗恒星旋转——在这些星球上,即使影子也不会孤独。

              所以,谁知道宇宙的可能性有多宽广呢?

              

              系外行星Kepler-16b围绕着两颗恒星公转,在那里,影子也不会孤独。

              编辑|陈天真

              参考链接

              https://science.sciencemag.org/content/371/6533/1038

              https://physicsworld.com/a/super-earth-is-astronomers-dream-for-atmospheric-studies/

            责任编辑:王超

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