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来自 科技知识 2019-10-13 09:12 的文章
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确定行星的宜居性,我们需要更复杂的行星模型

行星的基本结构是一致的,包括氧、硅和铁。但是这些元素的数量和比例会有很大的不同。这是由行星形成的原行星盘中的条件决定的。正如他们在文章中明确指出的那样,这些元素的数量以及它们在行星形成过程中的处理方式可能有很大的不同。

开普坦-B  2014年6月高精度径向速度行星搜索器发现了可能宜居的系外行星开普坦-B。开普坦-B坐落于比我们居住的太阳系古老70亿年之久,拥有超过110亿年历史的星系中。它环绕红色亚矮星开普坦旋转,距离地球12.8亿光年。开普坦-B的丢球相似性系数为0.67,据发现表明该行星出浴能储存液态水的宜居带中,温度大致在-91°F或者说-68°C之间,因此温度太低液态水没办法在该行星上形成,但是在其大气层中发现的大量二氧化碳,温度可能就不是问题了。

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假设在温暖的一面有冰,则可能会有液态水的存在,平衡态温度为-58°F或-50°C而厚厚的大气层可抵消温差,将朝向沃尔夫1061星球面的热量传给另一面。

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为了确定生命是否能在这样的条件下生存,奥马利-詹姆斯和柯廷安研究了大约40亿年前地球上的环境。那时,地球表面对我们今天所知道的生命是不利的。除了火山活动和有毒的大气,这里的环境还受到紫外线辐射的轰击,其方式与如今环绕m型恒星运行的行星类似。

许多关于系外行星可居住性的讨论都集中在它们与恒星的距离和水的存在上。这是有道理的,因为这些都是严重的限制因素。但这些行星特征实际上只是宜居/非宜居讨论的起点。在行星内部发生的事情也很重要。

开普勒438b

然而,近日卡尔萨根研究所的研究人员以早期地球上的生命形式为例,进行了一项新研究,结果发现生命在比邻星b上仍然有存在的可能。

与阿塔卡马大型毫米波阵列拍摄的HL-Tau行星形成盘的图像。圆盘内部的条件决定了行星的最终可居住性。

开普勒-186f

近日,一项新的研究表明,在离太阳最近的恒星,比邻星上的宜居带内有一颗行星,生命仍然有存在的可能!

那么,科学家们在试图确定可居住性时,没有给予行星内部足够的权重吗?答案是:可能。

生活在地球的时间越久,在地球彻底干枯之前找到一个备选地球就显得越来越重要了。在寻找第二个完美家园的道路上,我们邂逅了一些不可思议的外系行星。根据地球相似性指数(ESI),科学家整理了过去十年间发现的十大与地球最相像的行星。

这意味着,在本质上,生命可以存在于邻近的行星上,比如Proxima b,尽管它受到了强烈的辐射。更关键的比邻星的年龄是48.53亿年,比我们的太阳大约老2亿年,这使得它潜在的宜居性可能会变得更高。

有一系列几乎令人困惑的因素使地球成为一个维持生命的星球。大气层,水,与恒星的距离。恒星的类型及其稳定性,行星的轨道稳定性,它在银河系中的位置。这些只是人们经常讨论的一些问题。其他更深奥的因素,如月球的大小,也可能起到至关重要的作用。

开普勒-186f开普勒-186f是开普勒-186星系中仅有的ESI为0.61的行星,这个是2014年的发现是第一个与地球半径近似的类地行星,比地球大10%。186f倍发现于在距离地球500光年的天鹅座内,轨道周期130天。从其母恒星处接收到的能量仅为地球从太阳接收到的1/3。

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大气是复杂的、动态的东西。它们受到各种输入的影响,从地球内部的化学物质来源到地球内部作为化学物质沉淀的能力。它们总是在不断变化,需要某种类型的长期稳定,才能让生命繁荣昌盛。

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这对任何围绕红矮星运行的行星产生生命或长期适宜居住的可能造成了重大限制。然而,正如之前的研究表明,这在很大程度上取决于行星大气的密度和组成,更不用说行星是否有磁场了。

每个人都熟悉地球的水循环,但也有其他循环在起作用。当火山爆发,岩浆通过喷口到达地表时,化学物质被释放出来,然后再循环到地壳中。如果某些化学物质被允许积聚起来,它们将严重限制生命的前景。在论文中,作者以碳为例,大气过程可以将碳从大气中除去并带到海底。在那里,它们被再循环回到构造板块之间的俯冲带内部。

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这些模型表明,随着大气变薄和臭氧水平下降,更多的高能紫外线辐射能够到达地面。但当他们将这些模型与大约40亿年前地球上的模型进行比较时,结果令人惊讶,研究发现地球表面的紫外线辐射水平比我们今天在地球上经历的还要高。然而,有趣的结果是,即使是在最活跃的恒星周围的行星,紫外线水平都低于地球年轻时的水平。但是我们年轻的地球再后来仍然形成了生命,所以在M星系的行星上存在生命的情况可能性并不低。

该团队承认,从我们搜寻行星的角度来看,一切都是从大气层开始的。大气发出的诱人信号,如氧气的存在或化学成分的失衡,可能是生命和适宜居住的迹象。但还远远不是决定性的。

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地球熔化的核心,通过创造保护我们不受太阳死亡射线影响的磁层,在地球的可居住性方面起着至关重要的作用。虽然我们可能熟悉地球核心允许居住的那一方面,但它的内部成分在其他方面也有所贡献。

开普勒-62-f的地球相似性系数仅为0.67,但是这个与62e同时发现的超级地球,距离地球1200光年,使其成为最佳宜居区。这颗系外行星不足以维持生命的地方它可能缺少大气层,这使其表面所有的水皆成冰。62f体积是地球的1.4倍,环绕周期267天,星球上的生活与地球上的极为相似——当然,前提是62f的大气层与地球的相同。

几十年来,科学家们一直在争论红矮星系统的潜在宜居性。它们有许多令人鼓舞的特性,其中最重要的是它们的共性。从本质上讲,红矮星是宇宙中最常见的恒星类型,仅在银河系中就占了85%。它们的寿命也最长,可以持续数万亿年。最后,但并非最不重要的是,它们似乎是最有可能存在岩石行星系统的恒星。最近几年在邻近的红矮星周围发现的岩石行星的绝对数量证明了这一点,例如Proxima b、Ross 128b、LHS 1140b、Gliese 667Cc、gj536、TRAPPIST-1这几颗岩石行星。

我们对行星适居性的判断很大程度上依赖于我们对宜居区的理解,而宜居区是离恒星很远的地方,它允许液态水的存在。这篇文章背后的科学家说我们需要走得更远。该科学团队成员包括阿纳特·沙哈尔(Anat Shahar)、彼得·德里斯科尔(Peter Driscoll)、艾丽西亚·温伯格(Alycia Weinberger)和乔治·科迪(George Cody)。在他们的文章中,他们谈到了地球内部决定其可居住性的许多方式。

沃尔夫1061C

为了解决这个问题,柯廷安和奥麦利-詹姆斯用不同的大气成分,对邻近的四颗“可能适宜居住”的系外行星——比邻星b、TRAPPIST-1e、Ross-128b和LHS-1140b——的表面紫外线环境进行了建模。这些范围从类似于现在地球的到那些“被侵蚀”或“缺氧”的大气,即那些不能很好地阻挡紫外线辐射和没有保护臭氧层的大气。

但这不仅仅是内部的影响可居住性的过程,也是组成可居住性的一部分。

沃尔夫1061C它的地球相似性指数系数为0.76是2015年12月Wolf 1061 c发现的一颗潜在的多岩超级地球,距离地球14光年。该行星以0.84AU围绕沃尔夫1061旋转,处在宜居带的内边缘,会出现潮汐锁定现象。因为一面永远面朝恒星,所以星球两面的温度很可能天差地别。

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地球内部通过俯冲作用对大气稳定起着重要作用

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这项研究的结果为关注几十亿年前地球上的生命奠定了基础,如单细胞微生物,原核生物可能生活在高紫外线辐射水平的世界。这个古老的生物圈可能与活跃的M星周围的可居住行星的条件有最好的相似性,所以可以为我们在这些恒星系统中寻找生命提供最好的线索。

他们提议进行实验研究,重点研究矿物物理学,以及更多关于星盘和行星盘组成的观测研究。这一新的知识将被用来建立一个更好的模型来理解宜居性,这将使我们比依赖液态水、大气成分、接近恒星以及我们用来确定宜居性的其他因素更进一步。

开普勒62e这颗超级地球位于开普勒62星的宜居带。这颗外系行星在2013年被发现,地球相似系数0.83,拥有一些适合人类居住行星的特征。除了是岩态行星之外,这颗行星也被认为拥有广阔的水域覆盖表面。

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然后呢?那这个星球的其余部分呢?它决定了可居住性吗?

开普勒438b 2015年1月份最新发现的开普勒438b,距离地球470光年,被认为是最类地行星的发现,使它成为人类宜居的不二之选。尽管地球相似性系数达0.88并且与我们的地球有众多相似之处,同年的研究表明:尽管相像,但是438b可能确实适宜人类居住的条件,比如大气层。

为什么要用“仍然”两个字呢?其实这个研究要从2016年说起。2016年8月,欧洲南方天文台的天文学家宣布,在邻近的半人马座比邻星系统中发现了一颗系外行星,科学家称它为Proxima b,即比邻星b。这一消息让人兴奋不已,因为这是离我们太阳系最近的一颗岩石行星,距离仅4.23光年,它也在其恒星的宜居带内运行。从那时起,人们进行了多项研究,以确定这颗行星是否真的能支持生命存在。不幸的是,到目前为止的大多数研究都表明,宜居性的可能性并不高。因为比邻星的变异性,生命将很难在那里存活。

卡内基研究所(Carnegie Institute)的一组研究人员在“科学”杂志上发表了一文章,敦促研究人员在确定宜居性方面扩大研究范围。这篇文章的实质是,可居住性太复杂,一门科学学科无法确定,需要一种整体的或高度综合的方法,以获得一种更实际的方法来确定哪一颗系外行星可能适合居住。

最新发现的十大类地行星

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但是,如果该文章背后的团队是正确的,这将不足以确定宜居性能力。我们需要剥下更多的表象,这可能需要他们设想的更为复杂的模型。

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其实几代以来,科学家们一直在为围绕红矮星运行的行星是否适宜居住而争论不休。红矮星也存在着许多可居住性的障碍,其中最重要的是其多变和不稳定的性质。换句话说这些星球宜居性的主要障碍也就是它们的主星的活动,不像我们的太阳,这些低质量,超冷的矮恒星是可变的,不稳定的,容易爆发。这些定期的恒星耀斑释放出大量高能量的紫外线辐射,会使这些行星沐浴在高水平的有害生物辐射中。此外,行星在较长一段时间内承受着来自主恒星的x射线辐射和带电粒子通量的猛烈冲击,如果一颗行星不能足够快地补充其大气层,那么随着时间的推移,这些行星的大气层就有被剥离的风险。

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开普勒-452-b也被叫做地球2.0,被开普勒太空望远镜所发现,与15年的七月公诸于世。距离地球1400光年的这个超级地球ESI为0.83,坐落于G类恒星的宜居带中,且该恒星与太阳拥有相同的质量与温度。

这项研究近日由康奈尔大学卡尔·萨根研究所所长、副研究员杰克·奥马利-詹姆斯和丽莎·柯廷格共同主持。他们一起研究了围绕m型恒星运行的行星表面紫外线通量的水平,并将其与原始地球上的情况进行了比较,结果得出这个结论。

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62e作为宜居区的一个不利因素就是其恒星通亮与我们在地球上经历的相比增加了20%,这就可能造成70°F或者77°C的高温,并且造成有害的温室效应。62e比地球大60%,围绕开普勒62旋转一周的时间快地球243天,而且比地球多接收20%的太阳光。

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随着我们观察力的增强,科学家们认为,我们确定宜居性的方法也必须不断发展。

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一个可行的,更详细的外行星内部模型,不仅基于大气,而且基于行星盘组成和条件,可能是必要的。在不久的将来,更强大的望远镜将帮助我们更多地了解系外行星,甚至可能为我们提供一些系外行星的实际图像。

开普坦-B

确定行星的宜居性,我们需要更复杂的行星模型【四川快乐12app官网】。他们的观点是,如果你不知道地球的内部过程,你就不能真正地判断大气。

实际上,比邻星B举例地球4.2光年,由于其极高的恒星风压力可能不适于人类居住。与地球相比,比邻星B所受到的风压,是地球经历的2000倍以上。再加上其母恒星的辐射,比邻星B上就很有可能没有大气层来维持生命。

图示显示一颗恒星的光照亮了一颗行星的大气层。在不久的将来,更强大的望远镜将使我们能够了解系外行星大气层的组成,甚至可能拍摄一些照片。但这并不能告诉我们一个人是否适合居住。

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开普勒-62-f

目前,科学家可以探测到一颗外行星,确定它与恒星的距离,限制它的质量和密度,然后从那里对潜在的可居住性进行概率猜测。这项工作的重点是试图确定一个行星的大气层可能是什么。但是即使我们确定它的大气层是合适的,我们真的只剥了洋葱的第一层。正如他们在文章中所说,“人类将建立一个气体包层信息库,这些气体包层仅占系外行星质量的百万分之一。”

比邻星B

拉默尔等人在2009年的论文“是什么让一个星球变得适宜居住?”中提出了类似这样的观点。但是他们的四级分类系统并没有对系外行星的内部进行太深入的研究。在2012年的一篇名为“宜居行星的可能性”的论文中,弗朗索瓦·福格特(Francois Forget )详细叙述了拉默尔的分类系统。在更深入地挖掘行星物理过程之前,必须先了解行星的分类系统。

关于开普坦-B宜居性的讨论焦点在于 有些研究者,比如宾夕法尼亚州立大学的保罗·罗伯逊认为该行星可能并不存在,可能仅仅是模仿行星传递信号的恒星黑子。

也许我们需要一个更有层次的系外行星分类系统。一级宜居性可以表示最基本的适居性要求。靠近一颗合适的恒星,很可能存在液态水,诸如此类的东西。由此,可以根据越来越严格的条件对不同的层次进行编撰。

就宜居性而言,186f处在宜居区内,但是未知的大气方面的因素使我们无法确定其宜居程度。就如开普勒442b一样,186f倾斜度太小使其不能像地球一样拥有4季,与同在开普勒星系中的另外四个行星而言,186f被认为不会像其邻居一样发生潮汐锁定现象。也可能是开普勒星系中在距离母恒星足够远能储存水的星球。

他们所主张的是一种寻找宜居性的新方法。他们提出了一种更多跨学科的方法来实现这一点。正如他们所说的那样,“对这些过程进行连贯研究所需的研究不能由科学家在单独的一门学科中进行。”

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它们在行星上的最终成分也会因原行星盘中的条件而变化。例如,太阳系早期巨行星的形成会影响后来形成的行星的组成。在确定可居住性方面,所有这些变化都会产生一系列令人眼花缭乱的变数。

格利泽667CC

“宜居的核心在于行星内部。”

比邻星B比邻星B的地球相似度系数为0.87是迄今为止发现众多最像地球的外系行星中之一  但这并不意味着它是宜居的最佳选择。尽管它与地球拥有许多相同的特征,也有较高的地球相似系数来拉选票,可能你还没意识到,这些并不是宜居性的可靠保证。

开普勒62e

确定行星的宜居性,我们需要更复杂的行星模型【四川快乐12app官网】。格利泽667CC环绕红矮星格利泽667C旋转,且距其23光年的系外行星格利泽667CC处在宜居带中,地球相似性系数为0.84  2011年11月,天文学家观测到了这颗行星,并开始寻找其与地球的相似性。 格利泽667CC的宜居性取决于将这颗行星的哪一部分被地球化,因为在不同的两个半球展现出的完全不同的特性。一半被完全覆盖在永无止境的黑暗中,而另一半则是永远面朝红色矮行星。

该行星附近的恒星释放出的耀斑是太阳的10倍,可能导致大气层的剥离。尽管如此,比地球大1.12倍并且比地球多接收40%光照的开普勒-438b仍有希望成为居住星球。如果其上存在像地球一样的磁场的话,对我们大有裨益。

开普勒-452-b

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去年,法国国家科学研究中心研究人员猜测比邻星B上表面可能存在海洋和稀薄的大气层,但是并未有证据证明。

开普勒442b

眼下,关于这个理论上的宜居行星的很多东西都是未知的,包括62f是以陆地为主还是大部分被水覆盖。

开普勒442b  2009年发射的美国宇航局开普勒太空天文台多次成功的完成了寻找地球相似行星的任务。与开普勒-438b同时宣告发现消息的开普勒442b地球相似系数为0.83半径1.34(弧度制)与地球的0.009相比颇大。尽管处在宜居地带中并且被认为是和地球最相像的行星,考虑到它的温度与半径442b上的生命形态可能与地球上的不大相同。例如 一年只会有112.3天 我们接收到的阳光是在地球上的70%。由于442b的轴倾角,我们也不可能享受到我们曾在地球上体验过的季节变化了

452b的较小的半径表明它可能拥有岩态陆地表面,这颗系外行星的宜居性还未可知,尽管它被认为受到失控的温室效应中。这颗行星比地球大60%,而其上一年的时间只比地球长5%,不愧为地球的孪生星球。

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据说在这两个半球之间,存在一个适合人类居住的银色地带,然而这个行星可能会经历远超地球300倍的潮汐加热,这就引出了该行星的温度对居住来说是否过高的问题。

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关键词: 行星 模型 宜居性 守夜人