美国宇航局的新研究改善了对宜居世界的追捕

时间：2021-07-16 12:52:02 来源：

此图显示了一颗恒星的光照亮了行星的大气层。学分：美国宇航局戈达德太空飞行中心

NASA科学家的最新研究正在帮助我们加深对可能支持生命的太阳系以外的候选行星的了解。

“通过使用更真实地模拟大气条件的模型，我们发现了一种控制系外行星宜居性的新过程，并将指导我们确定候选人以供进一步研究，”美国宇航局戈达德太空研究所（GISS）的尤卡·藤井（Yuka Fujii）说。纽约研究中心和日本东京工业大学地球生命科学研究所是该研究论文的主要作者，该论文发表在10月17日的《天体物理学杂志》上。

以前的模型沿一维（垂直）模拟大气条件。像其他一些最近的可居住性研究一样，这项新研究使用了一个模型来计算所有三个维度的条件，从而使团队能够模拟大气环流和这种环流的特殊特征，而一维模型则无法做到这一点。这项新工作将帮助天文学家将稀少的观测时间分配给最有前途的宜居性候选人。

众所周知，液态水是生命的必需品，因此，如果其温度允许液态水存在足够长的时间（数十亿年）以使生命蓬勃发展，则认为该外星世界（例如系外行星）的表面具有潜在的可居住性。如果系外行星离其母恒星太远，它将太冷，其海洋将结冰。如果系外行星太近，来自恒星的光将太强烈，其海洋最终将蒸发并丢失到太空。当水蒸气上升到高层大气中称为平流层的一层，并被来自恒星的紫外线分解成其元素成分（氢和氧）时，就会发生这种情况。然后，极轻的氢原子可以逃逸到太空。据说由于这种方式失去了海洋，行星由于其平流层潮湿而进入了“潮湿温室”状态。

为了使水蒸气上升到平流层，以前的模型预测，长期的地表温度必须高于地球上所经历的任何温度-超过华氏150度（摄氏66度）。这些温度将引发强烈的对流风暴。然而，事实证明，这些暴风雨并不是水进入平流层，使行星缓慢旋转进入潮湿温室状态的原因。

藤井说：“我们发现，恒星发出的辐射类型及其对系外行星大气循环的影响具有重要作用，从而使温室处于潮湿状态。”对于系外行星绕其母恒星轨道运行而言，恒星的引力会足够强以减缓行星的自转。这可能会导致它被潮汐锁定，一侧始终面对恒星-赋予恒星永恒的日子，而一侧始终面对恒星-赋予恒星永恒的夜晚。

发生这种情况时，行星白天会形成厚厚的云层，就像太阳伞一样，可以保护表面免受许多星光的影响。尽管这可以使行星保持凉爽并防止水蒸气上升，但研究小组发现，恒星产生的近红外辐射（NIR）数量可以提供使行星进入潮湿温室状态所需的热量。近红外是人眼看不见的一种光。空气中的蒸气，水滴或云中的冰晶中的水会强烈吸收NIR光，从而使空气变暖。随着空气变暖，它上升，将水带入平流层，在此形成潮湿的温室。

这个过程与低质量恒星周围的行星特别相关，这些恒星比太阳凉爽得多。为了适合居住，行星必须离这些恒星更近，而不是地球离太阳更近。在这么近的距离上，这些行星可能会经历恒星的强烈潮汐，使它们缓慢旋转。同样，恒星越冷，它发出的NIR越多。新模型表明，由于这些恒星以近红外波长发射大部分光线，因此即使在与地球热带地区相当或比地球热带还要热的条件下，潮湿的温室状态也会导致。对于离行星更近的系外行星，研究小组发现，近红外驱动过程使平流层中的水分逐渐增加。因此，有可能与旧模型的预测相反，更靠近其母恒星的系外行星可能仍可居住。

这是天文学家寻找宜居世界的重要发现，因为低质量恒星是银河系中最常见的。它们的绝对数量增加了在其中发现一个宜居世界的几率，而它们的体积小却增加了探测行星信号的机会。

这项新工作将帮助天文学家筛选出最有前途的候选人，以寻找可以维持生命的行星。该论文的合著者GISS的Anthony Del Genio说：“只要知道恒星的温度，我们就可以估计接近恒星的行星是否有可能处于潮湿的温室状态。”“目前的技术将被推向极限，以探测系外行星大气中的少量水蒸气。如果有足够的水被检测到，则可能意味着地球处于潮湿的温室状态。”

在这项研究中，研究人员假设行星的大气层类似于地球，但完全被海洋覆盖。这些假设使研究小组可以清楚地看到改变轨道距离和恒星辐射的类型如何影响平流层中水蒸气的量。将来，该小组计划改变行星的特性，例如重力，大小，大气成分和表面压力，以了解它们如何影响水蒸气的循环和可居住性。