水星球,再倾斜也宜居

By admin in 技术中心 on 2019年5月2日

“有些人曾经认为,倾角很大的一颗行星上,可能只有赤道附近会有冰存在,两极地区都相当温暖。”费雷拉产,“但是我们发现,根本不存在中间状态。如果海洋不够深,这颗行星就会冻成一颗冰球。然后,很显然,它就不再适宜居住了。”

在评估一颗行星能否承载生命的时候,很多事情我们都会想当然。首当其冲的便是,如果其他星球上确有类似地球上的生命存在,那它们将会是碳基的生命,因为碳化学具有无与伦比的复杂性,此外还需要液态水来作为重要的溶剂。这种假设直接导致了于上世纪50年代首次被引入的宜居带概念。它被定义为某颗恒星周围允许有液态水存在的一个狭窄区域。太靠近恒星,行星上的水就会蒸发掉;而离得太远,水则会冻结。只有在中间的“黄金地段”——既不太热,也不太冷,正正好好的地方——生命才能蓬勃兴旺。

费雷拉及其同事用他们在MIT开发的一个模型,模拟了倾角较大的一颗“水星球”。这颗地球大小的行星完全被水覆盖,到恒星的距离与地球到太阳相当。这个三维模型设计用来模拟这颗行星上大气、海洋和海冰之间发生的水循环,还考虑了风和热量在驱动3000米深的海洋中所起的作用。为了比较,这些科学家还将这个大气模拟套用到了简化的、不运动的浅海星球上,设置的海洋深度分别是200米、50米和10米。

不过“开普勒”还没有看到这样的天体。早在2011年,它确实就已经发现了宜居带中的行星开普勒-22b,到2013年则又发现了开普勒-61b和开普勒-62e。但它们完全不像地球——三者都是大得多的“超级地球”。大多数模型认为,这些行星较强的引力会使它们的表面变得平坦,使水更容易吞没陆地。陆地比水体更易升温和冷却,因此地球上的各大洲在调节气候中起着举足轻重的作用。英国莱斯特大学的天体生物学家刘易斯·达特内尔(Lewis
Dartnell)说:“海洋行星可能更易导致气候不稳定,所以不太宜居。”

美国宾夕法尼亚州立大学的物理及天文学教授达伦·威廉姆斯(Darren
Williams)说,之前的气候模拟已经证明,在极度倾斜的行星上可能存在极端不同的气候条件,具体取决于行星上的海洋和陆地。他说,费雷拉的结果得出了相似的结论,只不过要更加细致一些。

betway必威官网 1一颗星球,一不定非得跟地球很相似,才有可能成为外星生命的家园。图片来源:apiemistika.lt

具体的分析细节,近日被发表在专业期刊《伊卡洛斯》(Icarus)上。

(文/ Colin Stuart)“Eppur si
muove”——“但是它确实在动”。据说,伽利略在1633年被判为异端后,曾经嘀咕了这么一句。这也许是科学史上最著名的一句嘀咕。利用自己亲手制作的望远镜,伽利略看到了许多有悖于宇宙万物都在围绕地球转动的现象,例如围绕木星转动的卫星以及因阳光照射角度变化而导致的金星盈亏——如果金星围绕地球转,就不可能出现这一现象。所有这一切使得伽利略引领了哥白尼革命,后者提出这样一个“新观点”:包括地球在内的所有行星都在围绕太阳公转。

“在1000颗外星行星当中,会一到两颗行星密度与水相当,因此全部都是水的行星存在的可能性至少是有0.1%。”威廉姆斯说,“总结来说,高度倾斜的外星行星不一定就不适宜生命,因此对于天体生物学界来说,它们仍然是有趣和重要的目标。”(编辑:Steed

betway必威官网 2开普勒-22b所处系统与内太阳系的对比图。宜居带指行星距离恒星远近合适的区域,在该区域中,生命存在所必需的液体水能够在星球表面存在。图片来源:NASA

以地球为例,黄赤交角只有23.4°,不算太大,自转轴几乎垂直于地球绕太阳公转的轨道平面。这样的倾角给地球带来了春夏秋冬这样的季节变化。然而,科学家推测,外星行星的这一倾角可能千差万别,既有可能完全垂直于公转轨道,也可能完全躺平在公转轨道上运行。倾角越大,行星可能就越不适宜居住——至少,科学家曾是这么认为的。

古怪的行星

美国加利福尼亚大学伯克利分校的杰弗里·马西(Geoffrey
Marcy)和他的同事,还分析了由行星的引力造成的恒星所发出光线的变化。虽然在“开普勒”发现的外星行星中有3/4体积大于地球,但它们的质量完全不足以成为富含水的岩质行星。相反,它们必定是较轻的行星,更像是迷你海王星,它们的岩质核心被含有大量氢和氦的浓厚大气层所包裹。马西说:“这引发了一种担忧,即在已知外星行星中占据主导的类型可能并不适宜生命。”

此外,“开普勒”还发现了各种各样奇怪而不寻常的行星。例如,开普勒-47系统拥有2颗恒星和至少3颗行星。另有一些行星有着大椭圆形的轨道,这与太阳系行星典型的近圆轨道有着显著的差异。它们更像是彗星,会从外部冰冷的区域进入内部较温暖的区域。也许最意想不到的发现是开普勒-11——我们太阳系的微缩版,它拥有的6颗行星中有5颗到恒星的距离比水星到太阳还要近。美国麻省理工学院的行星科学家莎拉·西格(Sara
Seager)说:“只要在物理学规律之内,一切都皆有可能。”

乍看起来,这些都不是我们所认为的生命栖息地应该具备的特质。不过,也正是这些观测事实促使我们开始重新思考。马西说:“也许我们犯了和哥白尼时代前相似的错误,即认为我们是特殊的,所有宜居的行星都必须具有和地球相同的属性。”

有意思的是,对这一观念的改变部分源自对地球上生命更仔细的研究。在过去的几年中,已经发现了存在于地球深处的生物——最令人吃惊的是生活在南非最深的金矿3.6千米底部的线虫。由于科学家只研究了地下可能栖息地中的一小部分,于是达特内尔甚至在几年前就得出了一个与我们的观念迥异的结论。他说:“地球深处生物圈中的生命数量,要远远超过地球表面我们所熟悉的生态系统。”

这对其他星球上的生命也会带来影响。英国阿伯丁大学的肖恩·麦克马洪(Sean
McMahon)说:“一旦地下生物圈也被考虑在内,会有更多的行星被认为是宜居的。”2013年9月,麦克马洪​​和两位同事发表了一篇论文,研究在行星核心的加热下地下水中存在生命的可能性。水体所处的深度越大,它就可以更好地免受外界温度的影响,从而让有生命的行星到恒星的距离可以进一步加大。5千米之下的生命可以在轨道半径是传统宜居带3倍远的行星上存活。如果深至10千米,宜居带则可以扩展到土星轨道之外——是目前类太阳恒星周围可接受距离的14倍。

betway必威官网,这也意味着,我们不能排除在外太阳系存在地下生命的可能性。在木卫二绕木星转动的过程中,木星作用于其上的潮汐摩擦可以融化表面壳层之下的水冰,也许由此制造了一个可供生命起源的地下海洋。

在2014年1月召开的美国天文学会会议上,美国韦伯州立大学的约翰·阿姆斯特朗(John
Armstrong)提出了另一种可以让宜居带位置发生变化的可能情况。地球有月球来稳定自转轴也许是个福音,但不断变化的自转轴倾角未必就一定是坏事:它正好可以改变游戏的规则。他说:“自转轴倾角的变化可以抑制极地冰盖的积聚,使得被反射回太空的热量减少。”根据他的模型,与自转轴稳定的行星相比,一颗摇摆的行星能够维持液态水存在的恒星间距或许可以达到前者的两倍。

通过观测极冠反射星光所造成的亮度变化,未来的望远镜也许可以观测到这一自转轴倾角的变化。然而,这样一颗行星未必会拥有类似地球上的生命形式。“目前还不清楚,在这样一颗气候迅猛变化的行星上,由多细胞动物和植物构成的生态系统会有多复杂,”达特内尔说,“但对于地表之下的细菌而言,可能根本不受影响。”

如果宜居带可以向远离恒星的地方拓展,其影响将会是深远的,因为这至少可以让红矮星这样的暗弱恒星重归赛场:承载生命的行星可以远离恒星,进而可以避免被潮汐锁定。不过,根据过去十年来发展出的更先进的气候模型,即使是潮汐锁定可能也不是太大的问题。研究表明,如果一颗被潮汐锁定的行星具有和地球相同的富氮大气,那么热量可以有效地被输送到永久的黑夜面,形成一个更加平衡且宜人的气候环境。

betway必威官网 3新研究显示,一些先前认为不适宜生命生存的星球,也可能有可能存在生命。点击查看大图。图片来源:《新科学家》

大体来说,研究团队发现生命能够在特别倾斜的一颗水星球上生存,但这也是有条件的。在模拟浅海水星球时,费雷拉发现,如果覆盖全球的海洋只有10米深的话,就不足以调节黄赤交角很大的行星上的气候了。相反,这样一颗行星会经历一场连锁反应:只要海洋结了一点点冰,海冰就会迅速扩散到这颗行星的暗夜一面。就算这一颗后来转向了太阳,按照费雷拉的说法,情况也来不及逆转了:厚厚的冰层会反射阳光,让冰层扩散到最近转入暗夜的那一面,最终冰封住整个星球。

于是,开普勒空间望远镜于2009年3月发射时,它便有了一个目标:寻找另一颗地球。这架望远镜以天文学家开普勒命名,后者在1619年率先发现了行星轨道距离和公转周期之间的数学关系。该任务计划工作3年也绝非巧合。地球绕太阳公转一周要花1年的时间,因此在一颗类太阳恒星周围宜居带中相似位置上的另一颗相似的行星,也要花同样的时间来做轨道运动。3年的时间足以探测到这样一颗行星3次从其恒星前方经过,从而确认它的存在。

曾在麻省理工学院地球、大气及行星科学系担任研究科学家的戴维·费雷拉(David
Ferreira)说,从表面上判断,倾角极大的行星上条件似乎相当极端:由于横躺在公转轨道上,随着这颗行星环绕它的太阳公转,这颗行星上的大部分地区会持续6个月受到阳光的照射,然后再经历长达6个月的黑暗。

差不多4个世纪之后,我们又处在了另一场对宇宙认识革命的风口浪尖之上。我们现在已经发现了近2000颗围绕其他恒星公转的行星。来自美国宇航局开普勒空间望远镜等观测设备的海量信息,再加上对行星以及恒星系统运转机制的进一步认识,都在迫使我们重新思考另一个地心观点——
一颗能承载生命的行星看上去会是什么样子。渐渐地,我们认识到,关于另一颗“地球”的假设似乎都是错误的。随着搜索的继续,我们可能需要谨记,有生命的星球也许会和我们的地球完全不同。

betway必威官网 4费雷拉等人发现,只要行星完全被海洋覆盖,哪怕海洋只有50米深,也能够缓和星球上的气候,使那里适宜生命生存。图片来源:MIT

我们的太阳拥有着一颗承载着生命的行星,也就是地球。在我们的银河系中,有3/4的恒星是比太阳更暗弱的红矮星,它们所能输出的热量相比之下要少得多。红矮星的宜居带会非常靠近它,近到位于其中的任何行星都会被“潮汐锁定”:恒星的引力使得行星始终只有一侧朝向前者。这一面将要经受日光无尽炙烤和灼热的温度,而另一侧则会在永久的黑暗中封冻——这对与生命而言绝非理想的环境。在我们的太阳系中,已知最靠近太阳的是水星。虽然没被潮汐锁定,它仍经历着昼夜半球之间600℃的温差。

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