我们之前对行星宜居条件的猜测也许并不正确

2022年01月25日 11:13 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间1月25日,据国外媒体报道,在电影《星球大战:帝国反击战》中,有一颗被冰雪覆盖的星球,名叫霍斯。虽然在电影中,这颗行星上勉强生活着一些生物。但在现实中,那里的生存条件一定非常糟糕,并不适合生命居住,因为所有的水都已冻结成冰。随着系外行星、特别是类地行星的探索不断开展,有个问题也许值得一问:这些冰封的行星有多普遍?生命能否在这些行星上存活?

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图为可能宜居的系外行星比邻星b,围绕红矮星比邻星旋转。

图为可能宜居的系外行星比邻星b,围绕红矮星比邻星旋转。

和其它很多问题一样,答案是“看情况”。根据一支国际天体物理学家开展的最新模拟研究,行星上的水量会在很大程度上影响其变成一颗“冰球”的可能性。对于像地球这样的行星,只要阳光减少8%,就会被彻底冻结。但比较干燥的星球就“坚挺”得多,可以进一步拓宽宜居星球的极限,增加我们发现外星生命的可能性。

我们并不清楚像地球这样的行星有多普遍,尤其是地表水占比与地球类似的行星。也许还要过几十年、再开展大量系外行星搜寻工作,我们才能得到确切的答案。不过在此之前,我们可以利用计算机模拟来分析各类行星的行为和演变方式。

但行星何其复杂。行星上的温度也取决于多种因素。显然,行星接收的光照量非常重要,但行星的反射度也会造成很大影响,因为如果光辐射到达行星表面后、直接反弹回到了太空中,对地表升温将起不到任何帮助。所以大气中的水分含量也很重要,因为水蒸气可以产生温室效应,对地表升温造成显著影响。

以表面陆地居多、液态水较少的行星为例。如果将一颗与地球大小完全相同的陆地行星放在地球轨道上,这颗行星将比地球冷得多,因为大气中水蒸气更少、温室效应也更弱。

但在光照量较低的情况下,陆地行星反而会变得比较温暖,因为其表面云层和雪地较少,反射率较低,因此对阳光的利用率更高。

从地球到霍斯

一支国际天文学家团队对上述思维过程做了极端的推演,研究在光照量改变的情况下、陆地行星的演变过程。结果毫不意外:如果行星温度下降得太多,就会冻结成冰。但他们还发现,与含水量较高的类地行星相比,陆地行星“负隅顽抗”的时间要长得多。

问题主要在于水:当行星温度稍微下降时,部分液态水会结冰。由于冰的反射度比水高得多,多出来的这一点冰就可以反射多一点阳光,阻碍阳光到达地表、使行星升温。这样一来,行星的温度又会下降一些,形成更多的冰,反射度也进一步增加。这一过程不断重复,最终将朝着失控温室效应的反方向发展下去,形成“失控冰川效应”,行星就这样变成了一颗巨大的“雪球”。

此前的研究工作显示,就地球而言,假如我们维持现有的大气二氧化碳浓度,即使接收的阳光量仅下降8%,也足以激活上述灾难循环。事实上,地球历史上也许已经发生过一两次类似现象了。

但陆地行星能坚持的时间更久,主要是因为含水量较少,大部分地表都没有被水覆盖。研究人员在模拟中发现,在一颗二氧化碳浓度与地球相同的陆地行星上,即使光照量只有地球的77%,也不会完全结冰。

宜居的边界

这一逻辑反过来也同样适用。水蒸气是一种关键的温室气体,因此如果太阳热量增加,像地球这样的行星就会演变成金星那样的“炼狱”。首先,行星温度会不断升高,将更多的水释放到大气中,导致更多热量被困在地表,致使地表温度进一步升高,产生更多水蒸气……失控的温室效应就此产生。这其实正是地球的宿命,再过几亿年,太阳的亮度和热度都将急剧增加,为上述场景打响“发令枪”。

由于陆地行星所含的水分比地球少得多,大气中的水蒸气含量也较少。就算温度升高,也不会造成太大变化。此次模拟研究发现,就算附近的恒星热量比太阳高80%,陆地行星也不会陷入水深火热的境地。

这些模拟结果在很大程度上改变了我们对行星宜居条件的猜想。恒星周围的宜居带是指,在此区域内的行星表面可以存在液态水,不会因为太冷而结冰、也不会因为太热而蒸发。但此前对宜居带的猜测均以类地行星为基础,即行星表面的水含量与地球类似。但此次研究显示,陆地行星比地球“顽强”得多。与之前计算的宜居带范围相比,无论离恒星更近还是更远,陆地行星上都有可能存在液态水。这意味着,如果我们找到了一颗与地球大小类似的行星,即使它位于传统概念的宜居带之外,我们也不能排除其宜居的可能性。(叶子)

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