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(gè)問題前,科學(xué)家首先要搞清楚,該行星是否具有可宜居性,而大氣是否長(zhǎng)期存在尤為關(guān)鍵。若行星發(fā)生大氣逃逸,則會(huì)變得像火星一樣荒涼,不適宜生命居住。
近期,我國(guó)天文學(xué)家在該領(lǐng)域有新發(fā)現(xiàn)。他們通過巧妙使用恒星行星系統(tǒng)的基本物理參數(shù),對(duì)行星大氣逃逸機(jī)制做出清晰的判定和分類,推進(jìn)了人們對(duì)行星大氣逃逸的認(rèn)識(shí),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(jù)。這也引發(fā)了大眾對(duì)尋找下一個(gè)可宜居星球等問題的新一輪思考。
太陽系行星早期,大氣會(huì)更猛烈地“逃跑”?
研究表明,恒星對(duì)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(dòng)力學(xué)逃逸。這是一種整體性的、猛烈的逃逸現(xiàn)象,也被稱為行星風(fēng)。
中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)研究員郭建恒介紹,2003年,哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在太陽系外行星HD 209458b上發(fā)現(xiàn)了行星風(fēng)的蹤跡。這種逃逸不僅每秒鐘可以損失數(shù)萬噸的物質(zhì),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(dāng)前太陽系行星不會(huì)發(fā)生行星風(fēng)式的逃逸。但是,在太陽系早期遺留有行星風(fēng)存在的證據(jù)。對(duì)于地球、金星和火星而言,它們大氣中一些化學(xué)性質(zhì)不活潑的惰性氣體是太陽和行星形成的產(chǎn)物。探測(cè)發(fā)現(xiàn),它們大氣中這些惰性氣體的含量頗為不同。美國(guó)科學(xué)家吉姆·卡斯汀等認(rèn)為,早期太陽系行星經(jīng)歷了行星風(fēng)的過程,從而導(dǎo)致了那些惰性氣體含量的迥異。
中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院崔峻教授介紹,早期類地行星上的行星風(fēng)逃逸也會(huì)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(rèn)為早期金星上充滿了水蒸氣,大氣溫度達(dá)到幾千度。此時(shí),金星上的行星風(fēng)可以在其剛形成的數(shù)千萬年內(nèi)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(huì)成為下一個(gè)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(hù)了地球的生命體。行星上大氣的存在是形成人類可宜居環(huán)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(fā)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(jì)初,英國(guó)天文學(xué)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(gè)一個(gè)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(fā)。
郭建恒介紹,對(duì)行星而言,大氣中越輕的粒子越容易發(fā)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(xué)反應(yīng)放熱和太陽風(fēng)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?cè)斐傻模蠹s每秒有幾到幾十公斤的物質(zhì)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(zhì)量會(huì)減少到不足目前的一半,大氣將會(huì)變得很薄。
有人難免提出擔(dān)憂,地球是否會(huì)變得像火星一樣荒涼?對(duì)此,盡管科學(xué)家目前沒有明確的答案,但也不必過于擔(dān)心。
郭建恒說,首先,除了太陽的加熱外,決定大氣是否會(huì)逃逸的另一個(gè)重要因素是行星的質(zhì)量?;鹦鞘潜鹊厍蛐〉枚嗟男行?,它的大氣很容易逃逸。而對(duì)于地球,抓住大氣的能力比火星強(qiáng)很多。其次,地球大氣主要是比氫氣重很多的氮?dú)夂脱鯕饨M成,它們的流失率相對(duì)于氫更低。最終,地球受到磁場(chǎng)的保護(hù)可以抵擋太陽風(fēng)的侵蝕,從而使地球大氣在將來可以保留。
因此,天文學(xué)家認(rèn)為,在未來數(shù)十億年后,地球的大氣可能比現(xiàn)在更稀薄,但也許不會(huì)變得像火星那樣荒涼。
下一個(gè)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(gè)地球?科學(xué)家一直致力于尋找答案。
郭建恒介紹,這個(gè)所謂的“地球”對(duì)人類來說應(yīng)該是宜居的。一個(gè)宜居的行星,最重要的因素是上面要有液態(tài)水的存在。天文學(xué)家把行星上可以有液態(tài)水存在的區(qū)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(yuǎn)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(zhuǎn)的行星上,液態(tài)水可以存在的區(qū)域也不同。同時(shí),這些可能宜居的行星應(yīng)該有陸地表面和大氣,否則也不適于人類生存。
天文學(xué)家希望,能從有陸地表面的行星大氣信號(hào)中探測(cè)到水和氧氣等代表可宜居環(huán)境的信號(hào)。郭建恒說,到目前為止,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有幾十顆和地球差不多的宜居行星候選體。對(duì)其大氣的探測(cè)取決于它們的距離。目前發(fā)現(xiàn)的最近的太陽系外行星離我們也有幾個(gè)光年,探測(cè)它們大氣信號(hào)的難度可想而知。經(jīng)過數(shù)十年的努力,依然沒有確定的證據(jù)表明哪一個(gè)行星是宜居的。
最近,美國(guó)航天局官網(wǎng)發(fā)布消息稱,一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)利用詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡在一個(gè)有巖石圈的行星上發(fā)現(xiàn)了可能由二氧化碳組成的大氣,但其表面溫度高達(dá)1500度,不適于生命存在。這樣的探索永不止步,包括中國(guó)在內(nèi)的各國(guó)科學(xué)家都在努力尋找下一個(gè)可宜居星球。
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(gè)問題前,科學(xué)家首先要搞清楚,該行星是否具有可宜居性,而大氣是否長(zhǎng)期存在尤為關(guān)鍵。若行星發(fā)生大氣逃逸,則會(huì)變得像火星一樣荒涼,不適宜生命居住。
近期,我國(guó)天文學(xué)家在該領(lǐng)域有新發(fā)現(xiàn)。他們通過巧妙使用恒星行星系統(tǒng)的基本物理參數(shù),對(duì)行星大氣逃逸機(jī)制做出清晰的判定和分類,推進(jìn)了人們對(duì)行星大氣逃逸的認(rèn)識(shí),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(jù)。這也引發(fā)了大眾對(duì)尋找下一個(gè)可宜居星球等問題的新一輪思考。
太陽系行星早期,大氣會(huì)更猛烈地“逃跑”?
研究表明,恒星對(duì)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(dòng)力學(xué)逃逸。這是一種整體性的、猛烈的逃逸現(xiàn)象,也被稱為行星風(fēng)。
中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)研究員郭建恒介紹,2003年,哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在太陽系外行星HD 209458b上發(fā)現(xiàn)了行星風(fēng)的蹤跡。這種逃逸不僅每秒鐘可以損失數(shù)萬噸的物質(zhì),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(dāng)前太陽系行星不會(huì)發(fā)生行星風(fēng)式的逃逸。但是,在太陽系早期遺留有行星風(fēng)存在的證據(jù)。對(duì)于地球、金星和火星而言,它們大氣中一些化學(xué)性質(zhì)不活潑的惰性氣體是太陽和行星形成的產(chǎn)物。探測(cè)發(fā)現(xiàn),它們大氣中這些惰性氣體的含量頗為不同。美國(guó)科學(xué)家吉姆·卡斯汀等認(rèn)為,早期太陽系行星經(jīng)歷了行星風(fēng)的過程,從而導(dǎo)致了那些惰性氣體含量的迥異。
中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院崔峻教授介紹,早期類地行星上的行星風(fēng)逃逸也會(huì)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(rèn)為早期金星上充滿了水蒸氣,大氣溫度達(dá)到幾千度。此時(shí),金星上的行星風(fēng)可以在其剛形成的數(shù)千萬年內(nèi)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(huì)成為下一個(gè)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(hù)了地球的生命體。行星上大氣的存在是形成人類可宜居環(huán)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(fā)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(jì)初,英國(guó)天文學(xué)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(gè)一個(gè)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(fā)。
郭建恒介紹,對(duì)行星而言,大氣中越輕的粒子越容易發(fā)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(xué)反應(yīng)放熱和太陽風(fēng)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?cè)斐傻?,大約每秒有幾到幾十公斤的物質(zhì)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(zhì)量會(huì)減少到不足目前的一半,大氣將會(huì)變得很薄。
有人難免提出擔(dān)憂,地球是否會(huì)變得像火星一樣荒涼?對(duì)此,盡管科學(xué)家目前沒有明確的答案,但也不必過于擔(dān)心。
郭建恒說,首先,除了太陽的加熱外,決定大氣是否會(huì)逃逸的另一個(gè)重要因素是行星的質(zhì)量?;鹦鞘潜鹊厍蛐〉枚嗟男行?,它的大氣很容易逃逸。而對(duì)于地球,抓住大氣的能力比火星強(qiáng)很多。其次,地球大氣主要是比氫氣重很多的氮?dú)夂脱鯕饨M成,它們的流失率相對(duì)于氫更低。最終,地球受到磁場(chǎng)的保護(hù)可以抵擋太陽風(fēng)的侵蝕,從而使地球大氣在將來可以保留。
因此,天文學(xué)家認(rèn)為,在未來數(shù)十億年后,地球的大氣可能比現(xiàn)在更稀薄,但也許不會(huì)變得像火星那樣荒涼。
下一個(gè)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(gè)地球?科學(xué)家一直致力于尋找答案。
郭建恒介紹,這個(gè)所謂的“地球”對(duì)人類來說應(yīng)該是宜居的。一個(gè)宜居的行星,最重要的因素是上面要有液態(tài)水的存在。天文學(xué)家把行星上可以有液態(tài)水存在的區(qū)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(yuǎn)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(zhuǎn)的行星上,液態(tài)水可以存在的區(qū)域也不同。同時(shí),這些可能宜居的行星應(yīng)該有陸地表面和大氣,否則也不適于人類生存。
天文學(xué)家希望,能從有陸地表面的行星大氣信號(hào)中探測(cè)到水和氧氣等代表可宜居環(huán)境的信號(hào)。郭建恒說,到目前為止,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有幾十顆和地球差不多的宜居行星候選體。對(duì)其大氣的探測(cè)取決于它們的距離。目前發(fā)現(xiàn)的最近的太陽系外行星離我們也有幾個(gè)光年,探測(cè)它們大氣信號(hào)的難度可想而知。經(jīng)過數(shù)十年的努力,依然沒有確定的證據(jù)表明哪一個(gè)行星是宜居的。
最近,美國(guó)航天局官網(wǎng)發(fā)布消息稱,一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)利用詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡在一個(gè)有巖石圈的行星上發(fā)現(xiàn)了可能由二氧化碳組成的大氣,但其表面溫度高達(dá)1500度,不適于生命存在。這樣的探索永不止步,包括中國(guó)在內(nèi)的各國(guó)科學(xué)家都在努力尋找下一個(gè)可宜居星球。
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