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决定行星宜居性的九大特征
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决定行星宜居性的九大特征

2019-11-16 19:30 主页 来源:未知
决定行星宜居性的九大特征

网友:什么属性可能使系外行星能够支持生命?

回答:在我回答这个问题之前,必须澄清,我们目前对可居住性的定义只能基于宇宙中唯一已知的生命位置:地球。当然,对于所有可能的生活环境,我们还不太了解,但不加限制的猜测很快就会变得不科学。

可居住的系外行星?决定行星宜居性的九大特征

 

那么,以下是我们用来确定一颗行星可居住性的一些品质:

能源。我们需要我们可居住的星球提供能量。让我们随机选择一些,比如一颗恒星。

液态水。这是我们对可居住性定义的首要要求。内部“可居住区”的定义是在失控的温室效应发生和任何地表水变成蒸汽之前,行星可以居住的最小恒星-行星距离(称为半长轴)。可居住区的外缘是最大的半长轴,超过这一长轴,即使是强烈的温室效应(浓密的CO22大气)也无法维持足够高的地表温度使水保持液态。液态水是一种最理想的介质,在这里,化学物质可以有效地进行迁移,使复杂的有机体得以发育。

可居住的系外行星?决定行星宜居性的九大特征

 

图解:艺术家显示在银河系内的恒星有行星环绕着是多么普通的现象。

大气层。没有大气层,行星就不能运输热量,也不能保护生物体免受危险的辐射和粒子的伤害。此外,大气显然是生物体获得代谢反应所必需的原子和分子的必要条件。这也发生在液态环境中,但仍然需要行星大气。如果没有大气压力,以及直接暴露在恒星辐射下,海洋就会蒸发。

可居住的系外行星?决定行星宜居性的九大特征

 

图解:2013年1月2日:天文学家估计银河系可能包含多达4,000亿颗系外行星,这几乎是每一颗恒星都有一颗行星。

磁场(可能)。这实际上比你想象的要难理解。通常,我们认为磁场是保护大气免受带电粒子和大气侵蚀的东西。这似乎仍然是事实,但故事是不完整的。金星没有特别强的磁场,但它有一个非常厚的大气层。这意味着,一个具有一定成分和密度的大气可以保护自己免受过多的粒子逃逸,但这些类型的大气似乎并不十分适宜。目前,我们仍应把磁场视为生命发展的重要因素。无论如何,这不是我们目前能用系外行星研究的,因为在如此小的、遥远的天体周围,磁场仍然无法探测到。

可居住的系外行星?决定行星宜居性的九大特征

 

图解:太阳系与巨蟹座55行星系统的比较图。

一颗长寿的星星。生活需要时间来发展。如果你有一颗行星围绕着一颗大质量恒星,那么恒星可能会,也可能会,在行星上的条件变得适合居住之前死亡。地球花了大约10亿年的时间,地球表面和太阳系才平静下来,足以产生单细胞生物。持续不断的轰击和全球性的地面游戏是熔岩,这意味着它是一个相当不友好的地方,任何种类的有机体。即使在那之后,多细胞生物的发展又花了29亿年。我在前面提到过,我将再次提到m矮星是寻找可居住世界的最佳候选恒星。其中一个原因是它们的寿命非常长,大约在100亿到数万亿年之间。

可居住的系外行星?决定行星宜居性的九大特征

 

图解:内太阳系和系外行星HD 179949 b、HD 164427 b、Epsilon Reticuli ab、及Mu Arae b轨道的比较图。(所有母星皆在中央位置)

低紫外线辐射环境。关于这件事有很多话要说,但我会保持简洁。强烈的紫外线和x射线辐射对大气(光化学分解、蒸发)、地表水(海洋蒸发)和生物体(癌症等)有害。因此,一颗恒星周围有强烈超紫外线辐射或耀斑的行星在可居住性方面会有一些问题。这对m矮星来说是个坏消息,因为它们在电磁频谱的这个区域非常活跃。然而,随着年龄的增长,m矮星超紫外线的活动稍微平静下来(自转变慢,磁场减弱,耀斑变得不那么强烈/频繁),因此年龄较大的m矮星周围的宜居带岩石世界有更好的宜居性机会。

可居住的系外行星?决定行星宜居性的九大特征

 

图解:由威尔逊山天文台1.5米望远镜上的旋风星冕仪(Vortex coronograph)拍摄HR 8799(飞马座V342)的三颗行星影像。

缺乏气态巨行星。这和最后一点一样,不是行星本身的属性,而是因为它是重要的,所以请接受我的观点。很长一段时间以来,我们都认为木星是我们的朋友,保护我们远离文明终结的太阳系外天体。事实证明,气态巨行星更可能把这些物体直接送到我们身边,而不是偏转和保护。除此之外,矮行星系统中的大质量行星(最有可能是我们发现可居住行星的地方)可以通过在许多轨道上提供足够的潮汐干扰来扰乱较小岩石行星的形成,而核心吸积星体的形成是不可能发生的。所以我们认为,在拥有气态巨行星的行星系统中,宜居性是不太可能的。

可居住的系外行星?决定行星宜居性的九大特征

 

图解:利用凌日法侦测系外行星,下方的线图代表不同时间地球所接收到的光量。

自转。这有两个原因:第一,保持强磁场很重要(见上文)。其次,1:1(每轨道一次旋转)潮汐锁定的行星存在大气环流问题。地球的一边非常热,另一边非常冷。对于厚厚的大气,热量仍然可以循环,你可能适合居住的区域接近昼夜明暗界限。对于稀薄的大气,可能发生的情况是,大气气体在白天被加热,在夜间循环,然后结冰。这将一直持续到所有的大气都被冻结,在夜间沉淀下来。

低轨道偏心率。轨道越圆越好。一个高度偏心的轨道意味着这颗行星花了一段时间非常接近恒星,接受了大量的能量。剩下的时间花在更远的地方,失去了空间的能量。行星的环境越稳定,生命就越有可能在不需要适应复杂的季节变化的情况下发展。

可居住的系外行星?决定行星宜居性的九大特征

 

图解:画家笔下的脉冲星PSR B1257+12行星系统

板块构造学。这一点不太明显,在我们真正希望了解的系外行星的名单上也很落后。简言之,板块构造为地球表面提供热量和能量,在化学混合以及潜在的重要放气过程中也发挥着重要作用。有时这并不伟大(地球上的生命不希望火山喷发灰烬和二氧化碳),但它也可能是一种机制,水、氧和重元素可以通过这种机制进入地表。

这些是我们在讨论行星宜居性时评估的最明显的因素。我建议用脚注来更深入地研究这些概念。