世界實(shí)時(shí)：哈佛大學(xué)最新研究：小型行星上的大氣演化過程

在圣?？颂K佩里的經(jīng)典中篇小說《小王子》中，小王子居住在一顆只有房子大小的微小行星之上。在這顆小小星球上，他在一天中的任何時(shí)候，只要稍微的移動(dòng)椅子就能看見日落。

小王子的故鄉(xiāng)。圖片來源：Wikimedia commons

【資料圖】

當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)生活中，如此小的天體是無法支撐生命的，因?yàn)樗鼈儧]有足夠的引力來維持大氣層。但單從宜居性的角度來看，多小才算是太小了呢？

在一篇新論文中，哈佛大學(xué)的研究人員描述了一種可以長(zhǎng)時(shí)間維持表面液態(tài)水存在的新的、更小的行星尺寸限制，從而擴(kuò)大了引力低微的小型行星的宜居帶范圍。這項(xiàng)研究擴(kuò)大了在宇宙中搜索生命的范圍，并揭示了小型行星上重要的大氣演化過程。

論文的第一作者Constantin Arnscheidt說：“當(dāng)人們?cè)诳紤]宜居帶的內(nèi)外邊緣時(shí)，他們傾向于只從空間上考慮，也就是考慮這顆行星離恒星有多近。但實(shí)際上，影響宜居性的還有很多其他變量，例如質(zhì)量。而以行星的大小來為宜居性設(shè)定一個(gè)更低的界限，可以為正在進(jìn)行的尋找宜居的系外行星和系外衛(wèi)星工作帶來重要的限制?！?/p>

一般來說，如果一個(gè)行星表面上的液態(tài)水能夠維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間（保守地說大約10億年），從而使生命得以進(jìn)化，那么這顆行星就可以被認(rèn)為是宜居的。天文學(xué)家會(huì)在特定類型恒星的特定距離范圍內(nèi)尋找這些宜居行星，這種特定類型的恒星比我們的太陽更小、更冷、質(zhì)量更低，它們所擁有的宜居帶比那些更大、更熱的恒星更近。

一顆恒星的宜居帶的內(nèi)緣是由一顆行星可以離這顆恒星的最近距離決定的，在這個(gè)距離上，這顆行星上的地表水不會(huì)因?yàn)闇厥倚?yīng)而全部蒸發(fā)。但是，正如Arnscheidt等人所示的那樣，這個(gè)定義并不適用于小的、低引力的行星。

當(dāng)一顆行星的大氣所吸收的熱量多于它可以輻射回太空的熱量時(shí)，就會(huì)阻止這顆行星降溫，從而導(dǎo)致失控的溫室效應(yīng)發(fā)生。這最終會(huì)導(dǎo)致無法阻擋的變暖，直到它的海洋也變成了大氣中的蒸汽。

然而，當(dāng)行星變小時(shí)，一些重要的事情發(fā)生了：隨著行星變暖，大氣層會(huì)向外膨脹，相對(duì)于行星的大小變得越來越大。這些大的大氣層增加了熱量的吸收與輻射，使星球能更好地維持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度上。研究人員發(fā)現(xiàn)，大氣膨脹可以防止低引力行星出現(xiàn)失控的溫室效應(yīng)現(xiàn)象，使它們?cè)陔x恒星更近的軌道運(yùn)行時(shí)仍能維持星球表面的液態(tài)水。

然而當(dāng)行星變得太小時(shí)，它們就完全失去大氣層，使得星球上的液態(tài)水要么凍結(jié)要么蒸發(fā)。研究人員發(fā)現(xiàn)對(duì)于行星來說，存在一個(gè)適合居住的臨界尺寸，小于這個(gè)臨界尺寸的行星就永遠(yuǎn)不可能宜居，這意味著宜居帶不僅在空間上存在邊界，而且在行星的大小上也存在邊界。

他們發(fā)現(xiàn)在太陽系中，這個(gè)臨界大小約為地球質(zhì)量的2.7%。如果一個(gè)天體的質(zhì)量小于地球的2.7%，那么它的大氣層會(huì)在它還沒有機(jī)會(huì)形成表面液態(tài)水的時(shí)候就已經(jīng)失控了，就像現(xiàn)在太陽系中的彗星一樣。以這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拿來看，月球的質(zhì)量為地球質(zhì)量的1.2%，水星為地球質(zhì)量的5.53%。

○ 這張圖顯示了以行星質(zhì)量來說的宜居性下限。如果一個(gè)天體的質(zhì)量小于地球的2.7%，那么它的大氣層將在它可以形成表面液態(tài)水之前逃逸。| 圖片來源：Harvard SEAS

研究人員還能夠估算出繞某些特定恒星旋轉(zhuǎn)的小型行星的宜居帶。他們對(duì)兩種不同類型的恒星進(jìn)行了兩種場(chǎng)景建模：一種是G-型星，例如我們的太陽就是；另一種是M-型星，比如以獅子座的一顆紅矮星為模型。

除此之外，研究人員還解開了存在于我們太陽系中的另一個(gè)長(zhǎng)期謎團(tuán)。一直以來，天文學(xué)家都想知道如果太陽輻射增加，木星的那些冰質(zhì)衛(wèi)星木衛(wèi)二（Europa）、木衛(wèi)三（Ganymede）和木衛(wèi)四（Callisto）是否適合居住。根據(jù)這項(xiàng)新的研究，我們確認(rèn)了這些衛(wèi)星都太小了，即使它們離太陽更近，也無法維持表面的液態(tài)水。

這項(xiàng)研究的資深作者Robin Wordsworth說：“在尋找生命的過程中，低質(zhì)量的水世界是一種令人向往的可能性。這篇論文表明，與類地行星相比，它們的行為可能會(huì)有多不同。一旦可以對(duì)這類天體進(jìn)行觀測(cè)，那么在這些天體上直接驗(yàn)證我們的預(yù)測(cè)將會(huì)是極度令人興奮的事?！?/p>

原文標(biāo)題為“ A goldilocks zone for planet size”，首發(fā)于2019年9月10日，中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以原文為準(zhǔn)。

來源：原理

編輯：小林綠子