世界實時：哈佛大學最新研究：小型行星上的大氣演化過程

在圣埃克蘇佩里的經典中篇小說《小王子》中，小王子居住在一顆只有房子大小的微小行星之上。在這顆小小星球上，他在一天中的任何時候，只要稍微的移動椅子就能看見日落。

小王子的故鄉。圖片來源：Wikimedia commons

【資料圖】

當然，在現實生活中，如此小的天體是無法支撐生命的，因為它們沒有足夠的引力來維持大氣層。但單從宜居性的角度來看，多小才算是太小了呢？

在一篇新論文中，哈佛大學的研究人員描述了一種可以長時間維持表面液態水存在的新的、更小的行星尺寸限制，從而擴大了引力低微的小型行星的宜居帶范圍。這項研究擴大了在宇宙中搜索生命的范圍，并揭示了小型行星上重要的大氣演化過程。

論文的第一作者Constantin Arnscheidt說：“當人們在考慮宜居帶的內外邊緣時，他們傾向于只從空間上考慮，也就是考慮這顆行星離恒星有多近。但實際上，影響宜居性的還有很多其他變量，例如質量。而以行星的大小來為宜居性設定一個更低的界限，可以為正在進行的尋找宜居的系外行星和系外衛星工作帶來重要的限制。”

一般來說，如果一個行星表面上的液態水能夠維持足夠長的時間（保守地說大約10億年），從而使生命得以進化，那么這顆行星就可以被認為是宜居的。天文學家會在特定類型恒星的特定距離范圍內尋找這些宜居行星，這種特定類型的恒星比我們的太陽更小、更冷、質量更低，它們所擁有的宜居帶比那些更大、更熱的恒星更近。

一顆恒星的宜居帶的內緣是由一顆行星可以離這顆恒星的最近距離決定的，在這個距離上，這顆行星上的地表水不會因為溫室效應而全部蒸發。但是，正如Arnscheidt等人所示的那樣，這個定義并不適用于小的、低引力的行星。

當一顆行星的大氣所吸收的熱量多于它可以輻射回太空的熱量時，就會阻止這顆行星降溫，從而導致失控的溫室效應發生。這最終會導致無法阻擋的變暖，直到它的海洋也變成了大氣中的蒸汽。

然而，當行星變小時，一些重要的事情發生了：隨著行星變暖，大氣層會向外膨脹，相對于行星的大小變得越來越大。這些大的大氣層增加了熱量的吸收與輻射，使星球能更好地維持在一個穩定的溫度上。研究人員發現，大氣膨脹可以防止低引力行星出現失控的溫室效應現象，使它們在離恒星更近的軌道運行時仍能維持星球表面的液態水。

然而當行星變得太小時，它們就完全失去大氣層，使得星球上的液態水要么凍結要么蒸發。研究人員發現對于行星來說，存在一個適合居住的臨界尺寸，小于這個臨界尺寸的行星就永遠不可能宜居，這意味著宜居帶不僅在空間上存在邊界，而且在行星的大小上也存在邊界。

他們發現在太陽系中，這個臨界大小約為地球質量的2.7%。如果一個天體的質量小于地球的2.7%，那么它的大氣層會在它還沒有機會形成表面液態水的時候就已經失控了，就像現在太陽系中的彗星一樣。以這個標準拿來看，月球的質量為地球質量的1.2%，水星為地球質量的5.53%。

○ 這張圖顯示了以行星質量來說的宜居性下限。如果一個天體的質量小于地球的2.7%，那么它的大氣層將在它可以形成表面液態水之前逃逸。| 圖片來源：Harvard SEAS

研究人員還能夠估算出繞某些特定恒星旋轉的小型行星的宜居帶。他們對兩種不同類型的恒星進行了兩種場景建模：一種是G-型星，例如我們的太陽就是；另一種是M-型星，比如以獅子座的一顆紅矮星為模型。

除此之外，研究人員還解開了存在于我們太陽系中的另一個長期謎團。一直以來，天文學家都想知道如果太陽輻射增加，木星的那些冰質衛星木衛二（Europa）、木衛三（Ganymede）和木衛四（Callisto）是否適合居住。根據這項新的研究，我們確認了這些衛星都太小了，即使它們離太陽更近，也無法維持表面的液態水。

這項研究的資深作者Robin Wordsworth說：“在尋找生命的過程中，低質量的水世界是一種令人向往的可能性。這篇論文表明，與類地行星相比，它們的行為可能會有多不同。一旦可以對這類天體進行觀測，那么在這些天體上直接驗證我們的預測將會是極度令人興奮的事。”

原文標題為“ A goldilocks zone for planet size”，首發于2019年9月10日，中文內容僅供參考，一切內容以原文為準。

來源：原理

編輯：小林綠子