在寻找可能适合居住的系外行星时，天文学家所要寻找的最重要的一件事是，是否在他们的恒星的宜居带内运行外行星的轨道。这是液态水存在于行星表面的必要条件，这是我们所知道的生命的先决条件。然而在发现新的系外行星的过程中，科学家们已经意识到一个被称为“水世界”的极端案例。
有水天体世界的描绘图。一项新的研究表明，当涉及到行星的时候，地球是少数，而且大多数可居住的行星可能大于90%的海洋。图片：David A. Aguilar (CfA)
水的世界本质上是由50%的水组成的行星，导致地表的海洋有几百千米深。根据来自普林斯顿大学、密歇根大学和哈佛大学的一组天体物理学家的最新研究，水世界可能无法在水里待很长时间。这些发现对于在我们的宇宙中寻找可居住的行星来说是非常重要的。在发表在《天体物理学》上一篇题为《水世界经大气流失的脱水》的研究报告。在普林斯顿大学天体物理学系的Chuanfei Dong领导下，该团队进行了计算机模拟，考虑了水世界将会受到什么样的条件。
对环绕红矮星运行的行星的概念图，图片版权：ESO/M. Kornmesser
这项研究很大程度上是由近年来在低质量、m型(红矮星)恒星系统周围发现的系外行星发现所激发的。这些行星的大小与地球相当，表明它们很可能是陆地(即岩石)。此外许多这些行星——例如在trappist - 1系统中的Proxima b和三颗行星——都被发现在恒星宜居带内运行。
然而随后的研究表明，比邻星b和其他围绕红矮星运行的岩石行星实际上可能是水世界。这是根据天文调查得出的质量估计，以及这些行星在自然中是岩石，没有巨大的大气层的内在假设。与此同时，已经有大量的研究表明这些行星是否能够控制住它们的水。基本上这都归结于恒星的类型和行星的轨道参数。与我们的太阳相比，红矮星虽然寿命长，但因其多变和不稳定而闻名，它会周期性地燃烧，从而在一段时间内剥去一颗行星的大气层。
最重要的是，在一个红矮星的宜居带内运行的行星可能会被锁住，这意味着地球的一边会不断地暴露在恒星的辐射之下。正因为如此，科学家们专注于确定不同类型的恒星系统中系外行星如何能控制住它们的大气层。大气的存在被认为是一个行星适居性的要求之一。话虽如此，可居性的概念是一个复杂的概念，涉及到无数的因素。因此大气层本身不足以保证可居住性，但它可以被认为是一个行星适宜居住的重要因素。
图中显示了trappist - 1f的可能表面，这是trappist - 1系统中新发现的行星之一。图片：NASA/JPL-Caltech
为了测试水世界是否能够保持它的大气层，研究小组进行了计算机模拟，考虑了各种可能的情况。这些因素包括恒星磁场、日冕物质抛射和大气电离和对各种类型恒星的大气电离和弹射——包括g型恒星(如我们的太阳)和m型恒星(如比邻星和trappist - 1)。随着这些效应的出现，董博士和他的同事们得出了一个综合模型，模拟了太阳系外行星的持续时间。开发了一种新型多流体磁铃动力学模型。该模型模拟了电离层和磁层整体。
由于偶极磁场的存在，恒星风不能直接将大气吹散(如由于缺乏全球偶极磁场而导致的火星)，相反大气离子损失是由极风引起的。电子的质量比它们的母体离子要小，因此它们更容易加速到行星的逃逸速度之外。”在逃逸、低质量电子和明显较重的带电离子之间的电荷分离形成了极化电场。而电场反过来作用，将带正电荷的离子沿着逃逸的电子，从两极的大气中拉出来。
在红矮星trappist - 1周围发现的最遥远的外行星上，艺术描绘对这一观点的概念图，图片：ESO/M. Kornmesser.
计算机模拟与当前的地球-太阳系统是一致的。然，在一些极端的可能性中——比如在m型恒星周围的系外行星——情况非常不同，转义率可能是1000倍或更多。这个结果意味着，即使是一个水世界，如果它围绕一颗红矮星运行，也可能在10亿年后失去它的大气层。考虑到我们所知道的生命大约需要45亿年才能进化，10亿年是一个相对较短的时间。
事实上正如董博士所解释的，这些结果表明，那些围绕m型恒星运行的行星将很难发展生命：研究结果表明，海洋行星(绕着类似太阳的恒星运行)将保持它们的大气层的时间远远超过了Gyr的时间尺度，因为离子转义率太低，因此，它允许生命的更长的时间从这些行星上产生，并在复杂性方面进化。”相比之下，对于环绕着m -矮星的系外行星，由于在靠近宜居带内的外部行星经历更强烈的粒子和辐射环境，它们的海洋可能会因为更强的粒子和辐射环境而耗尽它们的海洋。
如果大气在小于Gyr的时间内被耗尽，这可能会成为地球生命起源(自然发生)的问题。这些结果再次让人对红矮星系统的潜在可居性产生了怀疑。在过去，研究人员已经指出，红矮星的寿命可以保持在其主要序列长达10万亿年或更长时间，使它们成为寻找可居住系外行星的最佳候选。然而，这些恒星的稳定性以及它们可能会剥夺行星的大气层的方式似乎表明了其他方面。
在trappist - 1系统中，一位艺术家对行星凌日红矮星的描述的概念图，图片：NASA/ESA/STScl
因此诸如此类的研究非常重要，因为它们帮助解决了一颗红矮星周围可能适宜居住的行星的存在时间。考虑到大气损失对行星适居性的重要性，人们对使用即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)等望远镜来确定这些行星是否有大气，如果是这样，他们的组成是什么样的？已经有了很大的兴趣。”预计JWST应该能够描述这些大气(如果存在的话)，但是准确地量化转义率需要更高的精确度，在不久的将来可能是不可行的。
在我们对太阳系的理解和它的演变过程中，这项研究也很重要。曾几何时科学家们曾冒险说，地球和金星都可能是水世界。他们如何从水样过渡到今天的样子——在金星，干燥和地狱的情况下;就地球而言，拥有多个大陆是一个非常重要的问题。在未来，更详细的调查将有助于阐明这些相互竞争的理论。当詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)在2018年春季部署时，它将利用其强大的红外功能研究附近的红矮星周围的行星，比邻星b是其中之一。我们对这个和其他遥远系外行星的了解将会大大有助于我们了解我们自己的太阳系是如何进化的。
发表于 2019-11-16 19:29
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