我們之前對行星宜居條件的猜測也許並不正確

2022年01月25日11:06
圖為可能宜居的系外行星比鄰星b,圍繞紅矮星比鄰星旋轉。
圖為可能宜居的系外行星比鄰星b,圍繞紅矮星比鄰星旋轉。

  1月25日,據國外媒體報導,在電影《星球大戰:帝國反擊戰》中,有一顆被冰雪覆蓋的星球,名叫霍斯。雖然在電影中,這顆行星上勉強生活著一些生物。但在現實中,那裡的生存條件一定非常糟糕,並不適合生命居住,因為所有的水都已凍結成冰。隨著系外行星、特別是類地行星的探索不斷開展,有個問題也許值得一問:這些冰封的行星有多普遍?生命能否在這些行星上存活?

  和其它很多問題一樣,答案是“看情況”。根據一支國際天體物理學家開展的最新模擬研究,行星上的水量會在很大程度上影響其變成一顆“冰球”的可能性。對於像地球這樣的行星,只要陽光減少8%,就會被徹底凍結。但比較乾燥的星球就“堅挺”得多,可以進一步拓寬宜居星球的極限,增加我們發現外星生命的可能性。

  我們並不清楚像地球這樣的行星有多普遍,尤其是地表水佔比與地球類似的行星。也許還要過幾十年、再開展大量系外行星搜尋工作,我們才能得到確切的答案。不過在此之前,我們可以利用計算機模擬來分析各類行星的行為和演變方式。

  但行星何其複雜。行星上的溫度也取決於多種因素。顯然,行星接收的光照量非常重要,但行星的反射度也會造成很大影響,因為如果光輻射到達行星表面後、直接反彈回到了太空中,對地表升溫將起不到任何幫助。所以大氣中的水分含量也很重要,因為水蒸氣可以產生溫室效應,對地表升溫造成顯著影響。

  以表面陸地居多、液態水較少的行星為例。如果將一顆與地球大小完全相同的陸地行星放在地球軌道上,這顆行星將比地球冷得多,因為大氣中水蒸氣更少、溫室效應也更弱。

  但在光照量較低的情況下,陸地行星反而會變得比較溫暖,因為其表面雲層和雪地較少,反射率較低,因此對陽光的利用率更高。

  從地球到霍斯

  一支國際天文學家團隊對上述思維過程做了極端的推演,研究在光照量改變的情況下、陸地行星的演變過程。結果毫不意外:如果行星溫度下降得太多,就會凍結成冰。但他們還發現,與含水量較高的類地行星相比,陸地行星“負隅頑抗”的時間要長得多。

  問題主要在於水:當行星溫度稍微下降時,部分液態水會結冰。由於冰的反射度比水高得多,多出來的這一點冰就可以反射多一點陽光,阻礙陽光到達地表、使行星升溫。這樣一來,行星的溫度又會下降一些,形成更多的冰,反射度也進一步增加。這一過程不斷重複,最終將朝著失控溫室效應的反方向發展下去,形成“失控冰川效應”,行星就這樣變成了一顆巨大的“雪球”。

  此前的研究工作顯示,就地球而言,假如我們維持現有的大氣二氧化碳濃度,即使接收的陽光量僅下降8%,也足以激活上述災難循環。事實上,地球歷史上也許已經發生過一兩次類似現象了。

  但陸地行星能堅持的時間更久,主要是因為含水量較少,大部分地表都沒有被水覆蓋。研究人員在模擬中發現,在一顆二氧化碳濃度與地球相同的陸地行星上,即使光照量只有地球的77%,也不會完全結冰。

  宜居的邊界

  這一邏輯反過來也同樣適用。水蒸氣是一種關鍵的溫室氣體,因此如果太陽熱量增加,像地球這樣的行星就會演變成金星那樣的“煉獄”。首先,行星溫度會不斷升高,將更多的水釋放到大氣中,導致更多熱量被困在地表,致使地表溫度進一步升高,產生更多水蒸氣……失控的溫室效應就此產生。這其實正是地球的宿命,再過幾億年,太陽的亮度和熱度都將急劇增加,為上述場景打響“發令槍”。

  由於陸地行星所含的水分比地球少得多,大氣中的水蒸氣含量也較少。就算溫度升高,也不會造成太大變化。此次模擬研究發現,就算附近的恒星熱量比太陽高80%,陸地行星也不會陷入水深火熱的境地。

  這些模擬結果在很大程度上改變了我們對行星宜居條件的猜想。恒星周圍的宜居帶是指,在此區域內的行星表面可以存在液態水,不會因為太冷而結冰、也不會因為太熱而蒸發。但此前對宜居帶的猜測均以類地行星為基礎,即行星表面的水含量與地球類似。但此次研究顯示,陸地行星比地球“頑強”得多。與之前計算的宜居帶範圍相比,無論離恒星更近還是更遠,陸地行星上都有可能存在液態水。這意味著,如果我們找到了一顆與地球大小類似的行星,即使它位於傳統概念的宜居帶之外,我們也不能排除其宜居的可能性。(葉子)

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