浩瀚星空存在第二個地球嗎?從大氣“逃跑”說起-新華網
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2024 05/22 11:03:06
來源:新華每日電訊

浩瀚星空存在第二個地球嗎?從大氣“逃跑”說起

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  太陽系外是否存在像地球這樣適宜居住的行星?在解答這個問題前,科學家首先要搞清楚,該行星是否具有可宜居性,而大氣是否長期存在尤為關鍵。若行星發生大氣逃逸,則會變得像火星一樣荒涼,不適宜生命居住。

  近期,我國天文學家在該領域有新發現。他們通過巧妙使用恒星行星系統的基本物理參數,對行星大氣逃逸機制做出清晰的判定和分類,推進了人們對行星大氣逃逸的認識,為下一步研究行星可宜居性和行星大氣演化過程提供了理論依據。這也引發了大眾對尋找下一個可宜居星球等問題的新一輪思考。

  太陽系行星早期,大氣會更猛烈地“逃跑”?

  研究表明,恒星對行星大氣的加熱和潮汐力拉拽作用可以造成一種更猛烈的逃逸——流體動力學逃逸。這是一種整體性的、猛烈的逃逸現象,也被稱為行星風。

  中國科學院云南天文臺研究員郭建恒介紹,2003年,哈勃空間望遠鏡在太陽系外行星HD 209458b上發現了行星風的蹤跡。這種逃逸不僅每秒鐘可以損失數萬噸的物質,還可以把行星大氣中較重的粒子,如氮和氧,也拖拽出行星的引力范圍,造成行星大氣中生命所需氣體的逃逸。

  郭建恒說,當前太陽系行星不會發生行星風式的逃逸。但是,在太陽系早期遺留有行星風存在的證據。對于地球、金星和火星而言,它們大氣中一些化學性質不活潑的惰性氣體是太陽和行星形成的產物。探測發現,它們大氣中這些惰性氣體的含量頗為不同。美國科學家吉姆·卡斯汀等認為,早期太陽系行星經歷了行星風的過程,從而導致了那些惰性氣體含量的迥異。

  中山大學大氣科學學院崔峻教授介紹,早期類地行星上的行星風逃逸也會改變行星的宜居條件。比如,相比地球,金星距離太陽更近,研究認為早期金星上充滿了水蒸氣,大氣溫度達到幾千度。此時,金星上的行星風可以在其剛形成的數千萬年內帶走了它的海洋,最終形成我們今天看到的不宜居的金星。

  地球會成為下一個火星嗎?

  眾所周知,地球大氣遮蔽了來自太陽的紫外輻射,保護了地球的生命體。行星上大氣的存在是形成人類可宜居環境的基本條件。然而,地球大氣受到太陽輻射的加熱,因此總有一些粒子的速度可以超過地球的逃逸速度,就像我們發射的飛行器可以擺脫地球引力束縛一樣,逃逸到太空中。

  20世紀初,英國天文學家詹姆斯·金斯提出,大氣中的原子和分子能夠從大氣層頂部一個一個地離開行星的束縛,逃逸到太空中,從而造成大氣的損失。這種逃逸后來被稱為金斯逃逸,也叫大氣蒸發。

  郭建恒介紹,對行星而言,大氣中越輕的粒子越容易發生逃逸。在今天的地球上,金斯逃逸造成每秒大約3公斤氫和50克氦的損失。盡管金斯逃逸在太陽系行星中一直存在,但是行星大氣中的一些化學反應放熱和太陽風的侵蝕等造成的大氣逃逸才是目前太陽系行星大氣流失的主角。在地球和金星上,絕大部分氫的逃逸是由它們造成的,大約每秒有幾到幾十公斤的物質流出行星。按照氫流失的速度,在太陽膨脹到可以吃掉地球之前(大約50億年),大氣總質量會減少到不足目前的一半,大氣將會變得很薄。

  有人難免提出擔憂,地球是否會變得像火星一樣荒涼?對此,盡管科學家目前沒有明確的答案,但也不必過于擔心。

  郭建恒說,首先,除了太陽的加熱外,決定大氣是否會逃逸的另一個重要因素是行星的質量?;鹦鞘潜鹊厍蛐〉枚嗟男行?,它的大氣很容易逃逸。而對于地球,抓住大氣的能力比火星強很多。其次,地球大氣主要是比氫氣重很多的氮氣和氧氣組成,它們的流失率相對于氫更低。最終,地球受到磁場的保護可以抵擋太陽風的侵蝕,從而使地球大氣在將來可以保留。

  因此,天文學家認為,在未來數十億年后,地球的大氣可能比現在更稀薄,但也許不會變得像火星那樣荒涼。

  下一個適合生命居住的地球在哪?

  浩瀚星際是否有適宜生命居住的另一個地球?科學家一直致力于尋找答案。

  郭建恒介紹,這個所謂的“地球”對人類來說應該是宜居的。一個宜居的行星,最重要的因素是上面要有液態水的存在。天文學家把行星上可以有液態水存在的區域(離恒星的距離)叫作可宜居帶,也就是說它們不能離恒星太遠也不能太近。

  宇宙中,除了和太陽相似的恒星外,還有很多比太陽大或者比太陽小的恒星。由于那些恒星溫度差異很大,圍繞著它們公轉的行星上,液態水可以存在的區域也不同。同時,這些可能宜居的行星應該有陸地表面和大氣,否則也不適于人類生存。

  天文學家希望,能從有陸地表面的行星大氣信號中探測到水和氧氣等代表可宜居環境的信號。郭建恒說,到目前為止,已經發現有幾十顆和地球差不多的宜居行星候選體。對其大氣的探測取決于它們的距離。目前發現的最近的太陽系外行星離我們也有幾個光年,探測它們大氣信號的難度可想而知。經過數十年的努力,依然沒有確定的證據表明哪一個行星是宜居的。

  最近,美國航天局官網發布消息稱,一個國際團隊利用詹姆斯·韋伯空間望遠鏡在一個有巖石圈的行星上發現了可能由二氧化碳組成的大氣,但其表面溫度高達1500度,不適于生命存在。這樣的探索永不止步,包括中國在內的各國科學家都在努力尋找下一個可宜居星球。(記者 嚴勇)

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