探秘类地行星
2024-10-21李伟
类地行星新发现
由欧盟、日本和美国科学家组成的国际科研团队，近日利用“苔丝”空间探测器在太阳系外发现一颗新的类地行星，它距地球仅40光年，表面温度可能比地球略高。广义上的类地行星指以硅酸盐为主要成分的行星，它们都有金属核心，外层被硅酸盐地幔包围，有固体表面（部分）。在此基础上，狭义的类地行星还存在液态水以及大气层，即“宜居行星”。
据美国航空航天局发布的新闻公报介绍，这颗新发现的“潜在宜居行星”被命名为“格利泽12b”，它每12.8天围绕其母恒星运行一周。其体积与金星相当，比地球略小。日本《朝日新闻》称这颗行星是“罕见的、诱人的发现”。
科学家推测，如果“格利泽12b”没有大气层，那么其表面温度约42摄氏度，比人类迄今发现的太阳系外类地行星中的大多数都低；如果它有大气层，那么其表面温度会更低一些。
参与研究的日本天体生物学中心科学家葛原昌幸表示：“我们发现了迄今为止距地球最近、表面温度最适宜生命存在的行星，而且它的体积与地球接近。像这样的系外行星并不多见，值得继续追踪观察——它将是韦布空间望远镜的重要目标。”
“格利泽12b”的母恒星是一颗红矮星，位于双鱼座。科学家称之为“凉爽的恒星”，因为它的体积只有太阳的27%，表面温度比太阳低40%。“格利泽12b”与其母恒星之间的距离仅为日地距离的7%。因此，尽管母恒星发光发热的能力远不及太阳，但“格利泽12b”接收到的能量是地球从太阳接收到的能量的1.6倍。
参与这项研究的澳大利亚南昆士兰大学博士多拉基亚表示：“在分析了母恒星的情况后，我们对‘格利泽12b’的研究重点是其是否有大气层。这颗行星目前是研究类地行星的最佳目标之一，也是推进我们对银河系行星‘宜居性’研究的关键目标。”
适宜的大气层是一颗行星保有液态水乃至生命的关键条件。“格利泽12b”的表面温度介于地球和金星之间，研究人员推测它可能有类似地球或金星的大气层。当然，也不排除“格利泽12b”拥有与太阳系中的行星不同的大气层。也就是说，“格利泽12b”是否具备“宜居环境”还是未知数。对其大气层的研究将揭示更多关于“宜居性”的信息。
“宜居行星”的探寻之路
浩瀚星空中是否有适宜生命繁衍的类地行星？科学家一直致力于寻找答案。根据人类目前的认知，一颗“宜居行星”最重要的条件是存在液态水。天文学界根据行星与恒星之间的距离，把可能有液态水存在的行星所在的区域称为“宜居带”——不能离恒星太远，也不能太近。除了液态水，“宜居行星”还要有大气层。
天文学家希望能从类地行星的大气信号中探测到水和氧等代表“宜居环境”的信息。到目前为止，人类已经发现数十颗与地球相近的类地行星。能否对这些行星的大气层进行探测，主要取决于它们与地球的距离。目前发现的较近的太阳系外行星，到地球的距离以数十光年计，探测它们的大气信号，难度可想而知。经过数十年的努力，科学家依然没能在众多类地行星中找到“宜居行星”。
就在“格利泽12b”被发现前不久，一个国际研究团队利用韦伯空间望远镜，在一颗有岩石圈的行星上发现了可能由二氧化碳组成的大气层。不过，这颗行星的表面温度高达1500摄氏度，显然不适合生命繁衍。
预测地球的未来
人类在类地行星方面的探索永远不会止步，各国科学家都在努力寻找除地球之外的“宜居行星”。另外，探秘类地行星还有助于预测地球的未来。
众所周知，地球大气层遮蔽了来自太阳的辐射，保护了地球上的生命。行星上大气的存在是形成“宜居环境”的必要条件。研究表明，恒星对行星大气的加热和潮汐力拉拽作用，会造成猛烈的大气逃逸现象——流体动力学逃逸，也被称为行星风。
2003年，哈勃空间望远镜在太阳系外行星“HD 209458b”上发现了行星风的踪迹。这种大气逃逸不仅令行星每秒钟损失数万吨物质，还能把大气中较重的粒子，如氮和氧拖拽出引力范围，造成生命所需的气体大量逃逸。
太阳系中遗留有早期行星风的证据。在地球、金星和火星的大气层中，惰性气体的含量差异很大。美国科学家吉姆·卡斯汀认为，早期太阳系行星经历了行星风，最终导致各行星大气层中惰性气体含量迥异。
这引发一个问题——在目前已被发现的类地行星中，是否有行星因遭遇过行星风而失去了“宜居条件”？如果答案是肯定的，那么地球未来是否会因行星风而变得“不宜居”？
相比于地球，金星距太阳更近。有科学家认为，早期金星上曾充斥着水蒸气，其大气温度高达数千摄氏度。金星上的行星风在数千万年中带走了所有的水，最终形成我们今天看到的“不宜居”的金星。
20世纪初，英国天文学家詹姆斯·金斯提出，大气中的原子和分子能够从大气层顶部摆脱行星的束缚，逃逸到太空中，从而造成大气流失。这种逃逸现象后来被称为“金斯逃逸”，也叫“大气蒸发”。对行星而言，大气层中越轻的粒子越容易发生逃逸。在今天的地球上，“金斯逃逸”现象每秒使约3000克氢和50克氦离开地球。
相比于“金斯逃逸”，大气层中的一些化学反应和太阳风的侵蚀等造成的大气逃逸，才是太阳系行星大气流失的主要原因。按照氢流失的速度计算，在太阳膨胀到可以“吃掉”地球时（50亿年后），地球大气层的总质量将减少到不足目前的一半。
那么，地球未来是否会变得像火星一样荒凉？科学家对此的共识是：这不是人类需要思考的问题。
首先，除了太阳加热外，决定大气是否逃逸的另一个重要因素是行星的质量。火星是比地球小得多的行星，其大气很容易逃逸。对于地球来说，其“抓牢”大气的能力比火星要强得多。其次，地球大气主要由比氢气重得多的氮气和氧气组成，它们的“流失率”相对于氢气要低得多。最后，地球受到磁场的保护，可以抵挡太阳风的侵蚀，从而“尽力”留住大气。
天文学家据此认为，50亿年后，地球的大气层会比现在稀薄，但依然具备生命存在的条件。
编辑：姚志刚 winter-yao@163.com
