新的美国宇航局研究改善了对可居住世界的追捕

日期:2018-05-16 人气:21

此图显示了恒星的光照一个星球的气氛。积分:NASA戈达德太空飞行中心

em NASA科学家的新研究正在帮助我们更好地理解超越我们太阳系的可能支持生命的候选行星。 / em

“使用更真实模拟大气条件的模型,我们发现了一个控制系外行星可居住性的新过程,并将指导我们确定进一步研究的候选人,”美国宇航局戈达德空间研究所(GISS)的Yuka Fujii说,纽约,纽约和日本东京技术研究所地球生命科学研究所的主要作者,发表在10月17日发表在“天体物理学杂志”上的研究论文。

以前的模型模拟一维垂直方向的大气条件。和其他一些最近的可居住性研究一样,新研究使用了一个模型来计算三个维度的条件,从而使团队能够模拟大气的循环和该循环的特殊特征,而一维模型无法做到这一点。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希望的候选人。

我们知道液态水是生命所必需的,因此如果外界温度允许液态水存在足够的时间(数十亿年)以使生命蓬勃发展,那么外星世界(例如系外行星)的表面就被认为是可以居住的。如果外太阳系离母星太远,太冷了,它的海洋就会冻结。如果太阳系太靠近太阳系,恒星发出的光线就会过于激烈,而且它的海洋最终会蒸发掉而失去空间。这种情况发生在水蒸气上升到上层大气中被称为平流层的层中,并且被来自恒星的紫外线破坏为其元素组分(氢和氧)。极轻的氢原子可以逃到太空。由于潮湿的平流层,据说这种失去海洋过程中的行星已进入“潮湿温室”状态。

为了使水汽上升到平流层,以前的模型预测,长期的地表温度必须高于地球上经历的任何事情 - 超过华氏150度(66摄氏度)。这些温度会为强对流风暴提供动力;然而,事实证明,这些风暴不是水进入平流层的原因,因为慢慢旋转的行星进入潮湿的温室状态。

Fujii说:“我们发现了恒星发射的辐射类型及其对外行星大气环流的影响,对于形成潮湿的温室状态具有重要作用。”对于系外行星靠近母星的轨道,恒星的重力足以减缓行星的旋转。这可能会导致它被锁定,一方面总是面对星星 - 永恒的一天 - 一方面永远面临 - 给它永恒的夜晚。

当发生这种情况时,行星的日边会形成厚厚的云层,并像太阳伞一样遮挡住大部分星光的表面。虽然这可以使地球保持冷静并防止水汽的上升,但研究小组发现,恒星的近红外辐射(NIR)可以提供引起行星进入潮湿温室状态所需的热量。近红外是人眼不可见的一种光。水作为空气中的蒸气和云中的水滴或冰晶强烈吸收近红外光,使空气升温。随着空气升温,它升起,将水带入到平流层,在那里形成潮湿的温室。

这个过程与低质量星体周围的行星特别相关,这些恒星比太阳更冷更暗。为了可居住,行星必须比我们的地球到太阳更接近这些恒星。在如此接近的范围内,这些行星可能会受到恒星的强烈潮汐影响,从而使它们缓慢旋转。而且,一颗恒星越冷,它发出的NIR就越多。新模型表明,由于这些恒星以近红外波长发射大部分光,即使在与地球热带相比或稍微偏暖的情况下,也会产生潮湿的温室状态。对于靠近恒星的系外行星,研究小组发现NIR驱动的过程逐渐增加了平流层中的水分。因此,与旧的模型预测相反,与其母星更接近的系外行星可能仍然适合居住。

这是对寻找可居住世界的天文学家的一个重要观察,因为低质量恒星是最常见的星系。它们的绝对数字增加了其中可以居住的世界的可能性,并且它们的小尺寸增加了检测行星信号的机会。

这项新工作将帮助天文学家筛选最有前途的候选人,寻找可以支持生命的行星。 “只要我们知道恒星的温度,我们就可以估计靠近恒星的行星是否有可能处于潮湿的温室状态,”GISS的Anthony Del Genio说道,他是该论文的合着者。 “目前的技术将被推到极限,以探测外行星大气中的少量水汽。如果有足够的水被发现,这可能意味着这个行星处于湿润的温室状态。“

在这项研究中,研究人员假定一颗行星具有像地球一样的气氛,但完全被海洋覆盖。这些假设使团队能够清楚地看到改变轨道距离和恒星辐射类型如何影响平流层水汽的数量。今后,该团队计划改变行星特征,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循环和可居住性。

这是海冰分布在同步旋转的海洋世界上的样子。星星在右边,蓝色在那里是开放的海洋,白色是有海冰的地方。积分:Anthony Del Genio / GISS / NASA

该研究由美国宇航局天体生物学计划通过外星系系统科学Nexus资助; NASA博士后计划,由橡树岭附属大学,田纳西州橡树岭和马里兰州哥伦比亚大学空间研究协会管理;和日本东京的日本科学促进会赠款(No.15K17605)。

论文:近红外驱动潮湿同步旋转的温带陆地系外行星的上层大气

来源:Bill Steigerwald,NASA戈达德太空飞行中心