我国科学家揭示低质量系外行星大气逃逸机制 寻找人类宜居星球,向前迈了一大步?

2024-05-17 13:50:18     来源:中国科技网

地球大气层护佑和滋养着人类。太古时期,围绕着太阳公转的一些行星大气层,可能会因为多种原因离开行星进入太空。现在,这种猛烈的大气逃逸方式在太阳系中已不复存在,否则地球可能变得和火星一样荒凉。

然而,通过空间和地面望远镜观测,天文学家发现,在一些离宿主恒星很近的系外行星上,流体逃逸一直存在,这不仅改变了行星的质量,还影响了行星的气候和宜居环境。

记者5月16日从中国科学院云南天文台获悉,由该台研究员郭建恒发起的一项新研究,创新性地揭示了从地球到海王星质量范围内富氢系外行星剧烈大气逃逸过程——流体大气逃逸的不同驱动机制,为人们准确理解这类逃逸过程提供了新的视角,也为寻找人类可能宜居的系外行星提供了新方法。国际期刊《自然·天文》发表了这一重要成果。

研究示意图。云南天文台供图

缘何寻找带大气层的系外行星?

我们赖以生存的太阳,带着诸行星及其卫星“一大家子”在亘古旋转。在太阳系外,是否还有带着行星游走的其他恒星?1995年,科学家首次找到了绕类太阳恒星转动的系外行星,并获得了2019年的诺贝尔物理学奖。

“到目前为止,天文学界已发现5600多颗系外行星。”云南天文台研究员李焱向记者介绍。在太阳系的地球,有生命甚至智慧生命存在,而系外行星是否也能如此,取决于“宜居带”这个重要概念。对照太阳系,行星离恒星不能太近也不能太远,表面温度适宜,才能宜居。“同时,生命存在的一个关键,就是一定要有液态水。”李焱说,大气层的存在,成为衡量一颗行星是否宜居的另一重要条件。因此探测其是否存在大气层,就变成一个非常重要的问题。

“比如说金星和地球,为什么在这么相似的环境下,我们在金星上没有找到生命的信号,也没有找到水。如果倒退回金星的早期,其表面曾存在过巨量的水。有一种观念认为,早期金星上的水就已随着大气逃逸了。”郭建恒告诉记者,这种逃逸的机制,正是他研究的出发点。

此前,人们需要依赖复杂的模型来判断一颗行星上的流体逃逸行为,而且得到的结论往往并不明确。“大气逃逸是一个很复杂的过程,围绕不同恒星的情况也千差万别。”郭建恒说,此次研究的贡献,就是只要用确定的系外恒星及行星信息,就可以得出其行星大气是不是稳定以及是否会逃逸。

极简机制揭示系外行星大气逃逸机制

历经多年研究,郭建恒发现,即使在没有其他外部能量源的情况下,在那些低质量和大半径的行星上,只要足够的内能或者高的温度就可以驱动大气逃逸。

在天文学中,金斯参数是用来描述天体系统中气体动力学性质的一个重要参数。它主要与天体的质量、半径、气体的温度、分子质量相关,反映了气体在引力作用下的稳定性。行星核心放热或者恒星的光学和近红外辐射在较低大气层沉积的热能在很大程度上决定了行星的平衡温度。郭建恒发现,这一过程要求行星的金斯参数小于3.5。然而,当考虑外部能量驱动过程,比如恒星的极紫外辐射对大气的加热和潮汐力做功驱动的流体逃逸时,金斯参数对此无能为力。

因此,在温度不够高的情况下,郭建恒引入恒星的潮汐力,定义了一个改进的金斯参数。通过该参数,能简洁准确地区分恒星潮汐力和极端紫外辐射在驱动大气逃逸中的角色。以此为基础,科研人员只需使用质量、半径和轨道距离等恒星和行星的基本物理参数,就可以对低质量行星大气流体逃逸机制作出分类。这一新参数,不仅允许研究者更精确地区分外部能源导致大气逃逸的不同物理过程,还可以很好地区分恒星极紫外辐射和潮汐力驱动的逃逸。

“1924年提出的金斯参数,到现在为止一直都没有做过任何更改。对它进行有机地修正,是我此次研究的贡献。”郭建恒说,研究还发现,具有高引力势和低恒星辐射的行星,更可能经历一种慢速的流体大气逃逸,否则行星则以快速的流体逃逸为主。

“人类在宇宙中是否孤独?我们在宇宙中是否还有兄弟姐妹?科学家一直在努力地寻求答案。”中国科学院院士、云南天文台研究员韩占文说,下一步我们需要知道行星上是否有大气、是否有生命,郭建恒团队对行星大气的逃逸机制做出了清晰的分类,推进了人们对行星大气逃逸的认识,为下一步研究行星的可宜居性和行星大气演化过程提供了理论依据。

多位论文审稿人也认为,该研究创新性地提出了一种新颖的方法来判断大气逃逸类别,这对了解系外行星非常重要。随着人类对宇宙中潜在宜居世界的探索不断深入,这一发现可帮助人们更好地理解那些遥远星球的环境及其演变历程。

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