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人类发现一类可能存在生命的行星
日期: 2021/08/28 07:27
来源:澎湃新闻
寻找地外生命,一直是人们宇宙探索的目标之一。

天文学家们在寻找地外生命时,通常会寻找与大小、质量、温度和大气成分与地球相似的类地行星。

不过,剑桥大学研究人员最近确定了一种新型宜居行星——“Hycean”行星。正如其名字所暗示,它表面温度较高(hot)、海洋覆盖(ocean)、大气中富含氢(hydrogen)。目前确定的“Hycean”行星候选者都围绕着距离地球35到150光年的红矮星运行(地球与太阳距离1.5亿公里,以光速旅行也要8分20秒左右)。

研究人员表示,这可能意味着,在未来两三年内找到太阳系外生命的“生物印记”具有可能性。

该研究发表在知名天文学期刊《The Astrophysical Journal》上,论文标题为《Habitability and Biosignatures of Hycean Worlds》(Hycean星球的宜居性和生物印记),通讯作者为剑桥大学天文研究所“reader”(准教授)Nikku Madhusudhan。

为什么会研究与地球环境差异巨大的“Hycean”行星的宜居性?“首先,由于类地行星很小,在太阳系外的类地行星上探测生命非常困难。而Hycean星球比地球更大、更热,这增加了其可探测性和大气观测性,提供了探测系外行星生命更好的机会。其次,我们想探索在广泛的行星上宜居和生命的可能性,而不仅限于类地行星。这将帮助我们了解太阳系以外可能存在生命的环境的多样性。”Madhusudhan介绍道。

目前,人们已经发现了数千颗太阳系外的行星,其中绝大多数为半径约地球半径1-4倍的低质量行星。根据它们的密度和体积,它们被归类于“超级地球”或“迷你海王星”。

大多数迷你海王星的大小在地球的1.6倍以上,它们不像地球一样拥有岩石内部。早期对此类行星的研究发现,它们富含氢的大气层下具有高温高压,无法维持生命。

然而,研究团队在调查迷你海王星 K2-18b时发现,在某些条件下,迷你海王星可以支持生命存在。

此项工作中,研究团队专注于研究富含氢气的大气层下存在大海洋(水的质量分数高达 90%),并具有宜居条件的行星,他们将其称为“Hycean”星球。Hycean行星可以比地球大2.6 倍,拥有近200摄氏度的气温,但其海洋环境可能类似于地球海洋中微生物生存的条件。

Madhusudhan表示,找到地外生命对人类最重要的意义是认识到我们在宇宙中并不孤单。此外,这些发现还可能告诉我们生命形成与进化所需的行星条件具有多样性,并可能将地球生命的起源置于更普遍的背景下。

此项研究中,研究团队调查了Hycean行星的整体特性、宜居性和潜在的生物印记。

Hycean行星比类地行星数量更多,也更易观测。研究人员确定的许多Hycean行星候选者都比地球更大、更热,同时具有容纳大海洋的特征,能够支持类似地球最极端水体微生物生命的生存。

与类地行星相比,Hycean行星的宜居带更广阔。“宜居带”(habitable zones)指宜居的行星与恒星的合适距离范围。传统上,恒星周围的宜居带由类地岩质行星表面对液态水的需求定义。通常认为,其大气与太阳系类地行星的大气类似,主要成分为氮气、氧气、二氧化碳和水。在这种情况下,宜居带的内边界受到失控温室效应或水从大气逸出的限制;外边界受二氧化碳冷凝导致缺少温室效应,从而达不到维持液态水所需温度的限制。

比如,地球与太阳的距离让地球的温度适中,允许液态水存在,可让生命存活。而Hycean行星则能在与恒星更广的距离范围保持宜居。

Hycean星球中,有潮汐锁定的“黑暗”Hycean星球,它们可能有一侧永久都为黑夜,而只有黑夜这一侧是宜居的;还有“寒冷”Hycean星球,它们接收的恒星辐射很少。

这种大小的行星在已知的系外行星中为主体,Hycean可能很常见,这意味着在银河系最有机会找到生命的地方可能一直就在显眼之处。

判断一颗行星是否为Hycean行星,不仅要确认其半径、质量,还要确认温度和大气特性等。

要了解数光年外的行星上的情况,天文学家首先要确定它是否位于其恒星的宜居带,然后寻找分子特征来推断行星的大气和内部结构,这些会决定其地表条件、海洋的存在和出现生命的潜力。

天文学家也在寻找生物印记。传统上,基于地球大气层考虑的主要生物标志物是氧气、臭氧、甲烷和一氧化二氮。还有许多其他生物标志物,如氯甲烷和二甲硫醚,它们在地球的含量较低,但在富氢大气的行星上,它们可能是检测生命的有用指标。

“从本质上讲,当我们一直在寻找这些分子特征时,我们的关注点是与地球相似的行星,这是一个合理的起点,”Madhusudhan说,“但我们认为Hycean行星提供了更好的机会找到少量的几个生物印记。”

研究人员发现,不久的将来,通过光谱观察可以很容易地检测到许多预计存在于Hycean大气中的陆地生物标志物。Hycean行星更大的尺寸、更高的温度和富含氢的大气使得它们的大气特征比类地行星更容易被探测到。

“为了确认Hycean星球上生命的存在,我们需要用大型望远镜对其大气进行光谱观测。使用即将推出的望远镜(例如詹姆斯韦伯太空望远镜)将有可能对许多Hycean星球候选者进行这样的观测。”Madhusudhan表示,确认Hycean星球生命存在的主要困难在于获得所需的观察数据、分析数据,并以可靠方式对其进行解释,以检测生物印记。

他们已经确定了大量潜在的Hycean星球样本,这些样本是使用下一代望远镜,例如今年晚些时候发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST) 进行详细研究的主要候选者。对最有希望的候选者K2-18b使用韦伯望远镜观测可能会发现一种或多种生物印记。

谈及关于Hycean星球的下一步研究计划时,Madhusudhan表示,“我们计划对一些行星进行大气观测,调查其大气成分。同时,我们还会进行理论研究,更详细地了解这类行星的物理和化学过程。”
https://www.chubun.com/modules/article/view.article.php/c108/194356
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