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法建立行星大气层模型 欲窥探多岩石行星宜居性

http://www.kexue.com 2014-03-17 11:41:38 凤凰科技  发表评论


格利泽581系统里可能的内部行星,还伴随有一颗红矮星

系外行星HD 189733b的大气层正以300000英里每小时的速度逃逸

  当我们透过望远镜遥望天空一颗遥远的行星时,我们很难想象那颗行星上的情景。它是否会下雨?大气层是厚是薄,还是会消散至太空?行星表面是否能够持续的接受到太阳光?现代高级望远镜正逐渐为我们解答这些问题,使得我们距离理解外星生命是否存在更近一步。由于行星会从自身恒星前方过境,因此天文学家可能有机会研究该行星大气层里包含的化学物质并进行相应的预测。然而,到目前为止科学家们只能观测到炙热的巨大行星。

  法国巴黎皮埃尔西蒙物理学研究所气象动力学实验室的高级研究科学家弗朗索瓦-佛杰(Francois Forget)参与了一支科研小组,试图基于太阳系内的观测,创造一个模型展示类似地球的小型多岩石行星上的大气层特性。佛杰承认其中存在局限性——我们对宇宙里遥远行星的了解非常有限——但这个模型是理解其它行星的开始。

  “这是一个强大的模型,我们可以尽情的模拟,建立拥有各种类型大气层的行星,它可以环绕着各种类型的恒星。”佛杰最新的工作关注于陆地系外行星上的气候,这项由他和他的同事杰里米-勒康特(Jeremy Leconte)合作进行的研究结合了模拟结果和对研究文献的调查。这篇名为《陆地系外行星上可能的气候》的文章将发表在期刊《英国皇家学会学报》上。文章的结尾警语在于指出了哪些因素决定了行星大气层的组成成分。研究各种类型的行星将帮助科学家更好的了解遥远世界上的生命和可居住性。

  奇怪地方的生命

  一颗行星的气候,以及它是否宜居取决于三个因素:大气组成成分(包括海洋是否存在),它的母星的可变性、类型和与行星的距离,以及行星旋转的类型。这可能导致生命出现在意外的地方。可能存在一颗比太阳更小更微弱的恒星,但它的行星位于比地球太阳距离更近的轨道。由于该恒星的光线到达行星表面的距离相对更短,因此它温暖行星的程度可以与太阳照耀地球的程度相比拟。

  或者一颗行星因紧邻自身恒星而被烘烤,同时被潮汐锁定因此永久白天的一面因太炙热而不适合生命存在。然而,在夜晚,包裹行星的大气层可能支持液态水口袋的存在。这些都是勒康特和佛杰要考虑到的情景。他们文章的一个关键点在于调查行星质量和温度所允许存在的不同大气层类型。

  “这是针对陆地行星上可能存在哪一种大气层的高度推测性的头脑风暴。” 佛杰说道。“我们并不知道从定量的角度如何区分不同类型大气层的边界。同时,我们还必须考虑控制大气层组成成分的物理过程,这导致建模、模拟和计算变得极其困难。”然而,这项研究也指出了不同类型的行星倾向于拥有哪些特定类型的大气层。

  例如气体巨星,它们是如此巨大以至于它的引力可以吸引轻的元素,例如氢和氦,后者很可能是早期太阳系里产生太阳和行星的气体云的原始元素。早期地球的大气层里很可能大量存在这样的元素,但是由于地球的质量非常小而逐渐丢失了它们。一篇近期发表在期刊《自然地球科学》上的文章也指出早期火星的大气层里也很可能具有氢。

  相比之下,类似火星和地球的行星的大气层里可能拥有更多二氧化碳和氮气。液态水的海洋的存在是可能的。然而,如果行星获得太多星光可能导致逃逸的温室效应。“星光加热了水,导致大气层里更多水蒸气,这增加了温室效应并放大了加热的效应。”佛杰说道。

  最终所有的海洋都将被蒸发。因为太阳的光度与日俱增,地球上的海洋不可避免的也将全部蒸发,幸运的是,这至少要等到几十亿年之后,根据勒康特和佛杰的另一项近期研究表明。金星距离太阳更近,它接受到的星光更多,导致水包含的氢原子和氧原子逃离,留下二氧化碳分子,这导致了金星厚重和令人窒息的大气层。距离恒星更远的行星(例如位于木星的位置),二氧化碳将冻结并在地表坍塌,然而当行星位于相当于海王星的位置时,它可能还存在氮气。

  格利泽581

  随着佛杰的研究小组不断修改这个模型,它还不断加入了最新的系外行星。最著名的例子便是在20光年远格利泽581附近发现的好几颗行星候选者。天文学家最初认为格利泽581c可能潜在宜居,但在接下来的研究里又否认了这一想法,佛杰解释道。“最初天文学家对格利泽581c的发现激动不已,但接下来与气候学家的交流发现它并不支持生命存在。这颗行星距离恒星太近,它将产生逃逸的温室效应。”

  一支美国带领的研究小组在恒星可居住区发现了格利泽581g,但这颗行星备受争论,因为其它科学家认为它并不存在。另一颗行星格利泽581d则被认为太过寒冷,因为它接受到的恒星能量只有地球接受太阳能量的1/3,同时它距离自身矮恒星太近以至于很可能被潮汐锁定,它的一面将永远面对恒星。

  我们与研究小组的另一名成员罗宾-华滋华斯(Robin Wordsworth)一起将我们的模型应用于这颗行星,结果发现即使有着相对比较厚重的大气层,它仍然足够温暖以支持液态水存在,因此它并非不适合居住。

  至于格利泽c——这颗行星最初也让天文学家兴奋不已——佛杰和勒康特并没有完全排除它的可居住性。该行星可能具有完全不同的气候区域,处于夜晚的一面温度仍然足以支持液态水存在。佛杰的研究小组仍然在积极的了解和学习,他们主要受到两个动机的驱使。第一是准备进行长时间的观测,望远镜将帮助他们获得小型系外行星大气层的信息,无论是炙热、温和还是寒冷大气层。同时,他们希望“继续研究那些有关宜居性、我们是否是宇宙里唯一生命等永无止境的问题。”

  “目前我们没有任何有关陆地行星大气层的观测,但我们知道宇宙里存在大量陆地行星,很多恒星都具有陆地行星。”当获得了这些信息后,佛杰的研究小组希望能够了解这些星球上是否可能存在生命,以及是如何存在的。

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