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        尋找宜居系外行星,就意味著尋找“地球2.0”?

        科普中國中央廚房 2021-04-09

          

          銀河系中大概有數千億顆系外行星。|ESO/M. Kornmesser

          作者|林文杰

          我們的銀河系中大約有數十億顆恒星。如果每顆恒星都至少有一顆行星,銀河系中將有1000億至4000億顆行星。這當中是否有類似地球的行星?在那上面是否有像人類一樣的智慧生命?這一直是天文學家探尋的目標。

          很長時間里,我們對行星的認識僅局限于太陽系內的八大行星,直到1995年,天文學家才第一次發現了圍繞一顆類太陽恒星公轉的系外行星——飛馬座51b。不過在此后20年,人類發現的系外行星總數超過了4000顆,其中與地球相似的超級地球尤其引人注目。

          3月5日,《科學》雜志上的一篇論文報告說,天文學家又發現了一顆超級地球,名叫Gliese 486b。難得的是,這顆超級地球上仍然保留著大氣成分,使得它沒有那么熾熱,并且成為天文學家進行行星大氣研究的理想之地。

          有大氣的超級地球

          Gliese 486b 是一顆巖質行星,質量為地球的2.8倍,半徑為地球的1.31倍,相當于一顆超級地球。

          它的“太陽”是一顆紅矮星,Gliese 486b 圍繞著這顆紅矮星,公轉半徑僅為250萬公里,是目前發現的公轉軌道最靠近恒星的系外行星之一。與之相應,它的公轉周期非常短,只有1.5天,是超級地球的短周期版本,非常特別。

          距離恒星越近,行星受到近日物質的干擾會更嚴重,紅矮星上爆發的耀斑也會直接作用在行星上,導致行星表面環境變得慘不忍睹。

          在如此惡劣的情況下,行星的大氣物質往往會剝離、丟失,變得像彗星一樣,一邊公轉一邊拖著自己丟失的大氣尾巴。但 Gliese 486b 還保留著由氫氣和氦氣構成的大氣層,因而非常具有研究價值。

          過去數年,科學家發現的大多是短周期的氣態行星,而 Gliese 486b 是像地球一樣的巖質行星。借助它,我們能夠研究在距離恒星如此近的軌道上,類地行星是如何丟失大氣物質的,以及在剝離大氣之后,行星表面會發生什么樣的變化。

          事實上,這正是地球未來的命運,隨著太陽進入紅巨星階段并向外膨脹,地球將被動成為這樣一顆短周期行星。因此,看到Gliese 486b,就像是看到地球命運的預演。

          

          超級地球Gliese 486b的表面可能流淌著火山熔巖。|RenderArea

          它會是宜居行星嗎?

          Gliese 486b 行星的表面溫度預計為430°C,不算太熱,比金星的表面溫度還要低一些。但對于我們所理解的生命形式而言,還是太過炙熱。

          相比于其他短周期行星,Gliese 486b的表面溫度其實已經算是偏低的。比如距離地球41光年的巨蟹座55E系外行星,表面溫度達到了2300°C。Gliese 486b的溫度之所以比較低,可能正是受到大氣層的影響,這也是它值得被研究的一個關鍵原因。

          事實上,目前在冊的幾乎所有短周期系外行星都不適合宜居。

          首先,它們公轉軌道半徑太小,會受到主星的深度影響,最直接的干擾就是表面溫度極高。

          其次,短周期系外行星絕大部分可能被潮汐鎖定,一面永遠朝向恒星,溫度極高,另一面則背向恒星,永遠處于黑暗中,就像月球只有一面朝向地球那樣,結果不僅溫度極端,光照條件也非常極端,對整個行星的大氣循環極為不利。

          第三,恒星的耀斑會直接作用到行星上,在面向恒星的一面產生強烈的電磁輻射,對我們所理解的生命形式極為不利。

          由此可見,超級地球 Gliese 486b 實際上并不宜居。那么宜居到底意味著什么呢?或許不單單是找到另一個地球那么簡單。

          

          開普勒452b也是一顆超級地球,是最像地球的行星之一。但超級地球并不必然適宜人類居住。|NASA/Ames/JPL-Caltech

          宜居就意味著尋找“地球2.0”?

          說到宜居的系外行星,我們想象的一般是“地球模式”。

          它滿足以下一些基本條件:首先,恒星表面溫度合適,且壽命較長,有足夠的時間讓生命演化。其次,行星需要處于恒星周圍的宜居帶上,不冷不熱,允許水以液態形式存在。此外,行星軌道要足夠穩定,不能無緣無故就受到天體撞擊,導致生命滅絕。

          基本就是要找到一個個“地球2.0”。畢竟我們目前所知的是,像地球這樣的行星確實可以孕育生命。人類如果想要為未來星際移民尋找目的地,大概也要按這樣的標準不斷搜尋。可是如果要通過層層條件的篩選,我們會發現宜居的系外行星少之又少,僅恒星類型這一點就淘汰了銀河系內90%的恒星。

          不過我們可以退一步想想,宜居行星就必需像地球一樣嗎?比如,我們通常認為,水是生命不可缺少的重要成分,但生命真的需要水么?它們必須是碳基生命嗎?甚至,其所在行星一定需要太陽輻射來獲得能量嗎?

          或許并不一定。在宇宙的極端環境中,可能生存著超出我們理解范圍的生命形式,就像科學家曾經在地球的深海熱泉口發現一個全新的生機勃勃的生命世界一樣。

          隨著系外行星探測技術的進步,在未來,無論是宜居行星,還是超級地球,都會越來越多。人類或許需要擴展自己的想象力,明白宜居行星未必能孕育生命,而不在宜居帶的星球上,也可能寄居著奇特的外星生命。

          畢竟,在銀河系的大約數十億顆恒星中,有些恒星像太陽一樣,有多個行星圍繞著運轉,有些時候則是一個行星繞著兩顆恒星旋轉——在這些星球上,即使影子也不會孤獨。

          所以,誰知道宇宙的可能性有多寬廣呢?

          

          系外行星Kepler-16b圍繞著兩顆恒星公轉,在那里,影子也不會孤獨。

          編輯|陳天真

          參考鏈接

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

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

        責任編輯:王超

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