“氫海”行星,尋找外星生命的新途徑

2021年09月09日09:00

  來源:原理

  1992年1月,射電天文學家Aleksander Wolszczan和Dale Frail宣佈,他們在脈衝星PSR 1257+12的周圍發現了兩顆環繞運行的行星。這是人類首次在太陽系之外發現行星。

  三年多後,到了1995年10月,天文學家Michel Mayor和Didier Queloz首次發現了一顆圍繞著銀河系中一顆類日恒星運行的系外行星51 Pegasi b。兩位天文學家也因此獲得了諾貝爾物理學獎。

  自此之後的近30年里,我們已經在太陽系外發現了數千顆系外行星。在系外行星的搜索中,尋找來自其他世界的生命跡象自然是其中的重頭戲。對此,天文學家主要關注的是那些和地球大小、質量、溫度和大氣成分相似的行星,也就是所謂的類地行星。這是個非常合理的起點,畢竟地球是我們目前唯一知道的存在生命的星球。

  然而,在近日發表的一項新研究中,來自劍橋大學的天文學家認為,其實還有更多充滿希望的可能,而我們不應該忽視它們。研究發現了一類新的宜居行星,它們被稱為“氫海”(Hycean)行星,顧名思義,也就是那些具有富氫的大氣,且被海洋覆蓋的行星。

氫海行星的藝術家暢想圖。/ Amanda Smith/University of Cambridge

  這類行星看起來和我們的自己這顆星球非常不同,但研究認為,它們有條件支援生命的存在,更重要是的,這類行星的數量和可觀測性均高於類地行星。這將大大加速我們對太陽系之外的生命的搜索。一些樂觀的研究人員認為,這一結果或許表明,在不久的將來找到太陽系外生命的生物信號成了一種切實的可能。

  在已知的數千顆系外行星中,絕大多數行星的大小在地球和海王星之間,它們通常被稱為超級地球或者超小海王星,主要是大氣富含氫的岩質行星或者冰質巨行星,或者介於兩者之間的行星。

  大多數超小海王星的大小超過了地球的1.6倍,它們比海王星更小,但還是太大了,無法像地球這樣擁有岩質的內部結構。早期對這類行星的研究認為,它們富含氫的大氣之下的壓力和溫度過高,無法支援生命的存在。

  但Nikku Madhusudhan博士領導的團隊最近對超小海王星K2-18b的研究發現,在某些條件下,這些行星仍然有機會支援生命的存在。

  這一發現讓團隊對相關行星和恒星性質進行了更全面的詳細調查,從而希望尋找一些可能的行星條件,以及哪些已知的系外行星可能滿足這些條件,還有它們的生物信號是否有機會被觀測到。

系外行星K2-18b的藝術家印象圖。/ ESA/Hubble, M。 Kornmesser

  正是這項調查讓研究人員注意到了氫海行星。它們通常比地球更大,也更炎熱,可能是地球大小的2.6倍,其大氣溫度或許高達近200攝氏度,具體則取決於它們的宿主星。

  儘管和地球看似不同,但氫海行星仍然具有容納大型海洋的特徵,在富含氫的大氣之下,存在著行星尺度的巨大海洋。這類海洋或許可以支援某些微生物生命的生存,它們或許類似於地球上一些最極端的水生環境中發現的微生物生命。

  這類行星還包括了潮汐鎖定的暗氫海行星,它們可能只有在永久的背陰面具有宜居條件,以及只能接收到來自恒星的少量輻射的冷氫海行星。

  與類地行星相比,氫海行星可能存在於恒星周圍更廣的空間範圍里。也就是說,即使是位於類地行星所需的宜居帶的範圍之外,仍然有機會找到支援生命存在的行星。這也改寫了我們通常對“宜居帶”的認識。

  總的來說,天文學家相信,氫海行星可能相當普遍,這意味著在銀河系其他地方尋找生命的最有希望的地方,或許就一直隱藏在視線中。

  當天文學家試圖確定很多光年之外的行星的狀況時,他們通常會尋找分子特徵,從而推斷該行星的大氣和內部結構,這些結構影響著行星的表面狀況、海洋的存在和生命的潛力。

  天文學家也會尋找某些特定的生物信號,它們暗示著生命存在的可能性。最常見的生物信號包括氧氣、臭氧、甲烷和一氧化二氮,它們也都存在於地球上。

  還有一些其他生物標記物,比如氯甲烷和二甲基硫化物,它們在地球上的含量較低,但在氧氣或臭氧沒那麼豐富的富氫大氣的行星上,這些化合物或許能成為潛在的生命指標。

  Madhusudhan表示,氫海行星為人類在其他地方尋找生命開闢了一條全新的途徑,它們或許提供了更好的機會來發現一些微量的生物信號。他們發現,氫海行星的大氣中可能存在一些微量的生物標記物,在不久的將來,這些標記物或許很容易通過光譜觀測被發現。

  氫海行星更大的尺寸、更高的溫度和富含氫的大氣,也使得它們的大氣特徵比類地行星更容易探測。

  類似氫海行星這樣大小的行星在已知的系外行星中占了大多數,但對它們的研究還沒有像超級地球那般詳細。

  當然,僅僅依靠大小還不足以確認一顆行星的具體情況,還需要從質量、溫度和大氣性質等其他方面進行更詳細研究。

  目前,研究團隊確定了一個相當大的潛在的氫海行星樣本,這些樣本可以成為下一代望遠鏡詳細研究的主要候選對象,比如一拖再拖的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)。這些行星都圍繞著距離我們35-150光年的紅矮星運行,以天文標準來說,它們非常“近”了。

  科學家認為,在搜索外星生命時,我們需要保持一種開放的態度,因為自然總是以超乎想像的方式給我們帶來驚喜。

  創作團隊 /

  編譯:Måka

  參考來源 /

  https://www.cam.ac.uk/research/news/new-class-of-habitable-exoplanets-are-a-big-step-forward-in-the-search-for-life

  https://www.sciencenews.org/article/planet-habitable-new-type-hycean-search-extraterrestrial-life-aliens

  圖片來源 /

  封面來源:Amanda Smith/University of Cambridge

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