有海洋的星球在銀河系中很常見嗎？美國宇航局科學家的答案是很有可能

幾年前，行星科學家利奈爾·奎克着手探索4,000多顆已知的系外行星或太陽系以外的行星中是否有一顆可能類似于木星和土星周圍的一些含水衛星。盡管其中一些衛星沒有大氣層并且被冰層覆蓋，但它們仍然是美國宇航局尋找地外生命的首要目标。被科學家歸類為“海洋世界”的土衛二和木衛二歐羅巴，就是很好的例子。

圖解：土衛二發現了液體的水。圖源：baidu

“從水柱從木衛二和土衛二噴發的現象，我們可以看出這些天體的冰殼下面存在地下海洋，并且具有驅動水柱的能量，這是我們知道的存在生命所必不可少的兩個條件”，美國宇航局行星科學家奎克說道，多年以來她專門研究火山活動和海洋世界。“因此，如果我們認為這些地方可能适合居住，那麼其他行星系統中更大版本的星球可能也适合。”

圖解：卡西尼号近距離靠近土衛二拍攝到的羽狀物質。圖源：baidu

很快，位于馬裡蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心的奎克決定探索銀河系中是否存在類似于木衛二和土衛二的行星。而且，它們的地質活動是否也足夠活躍，可以通過它們表面噴射的羽流，有朝一日可以被望遠鏡觀測到。

通過對幾十顆系外行星（包括TRAPPIST-1系統附近的行星）的數學分析，奎克和她的同事們了解到一些重要的事情：他們研究的系外行星中有超過四分之一可能是海洋世界，其中大多數可能在地表冰層下擁有海洋，類似于歐羅巴和土衛二。此外，許多這些行星中還可能比木衛二和土衛二釋放出更多的能量。

有朝一日，科學家可能會通過測量系外行星發出的熱量，或通過檢測行星火山或低溫火山（液體或蒸汽而不是熔岩）噴發到大氣中分子發出的光波長的來驗證奎克的預測。目前，科學家們無法詳細的看到那些系外行星。唉，他們太過遙遠，以至于被星星的光芒所淹沒。但是通過考慮唯一可用的信息——系外行星的大小、質量和與恒星間的距離——像奎克和她的同事這樣的科學家可以利用數學模型和我們對太陽系的理解，試圖想象将系外行星塑造成可能為宜居的世界。

雖然這些數學模型中的假設還隻是有根據的猜測，但它們可以幫助科學家縮小有希望的系外行星名單，以尋找有利于生命的條件，以便NASA即将進行的詹姆斯韋伯太空望遠鏡或其他太空任務可以跟進。

“未來尋找太陽系以外生命迹象的任務将集中在像我們這樣擁有豐富全球生物圈的行星上，它正在改變整個大氣層的化學成分”，與奎克合作的NASA天體物理學家阿基·勞勃其說道，“但在太陽系中，遠離太陽熱量的帶有海洋的冰冷衛星仍然表明它們具有我們認為生命所需的特征。”

為了尋找可能的海洋世界，奎克的團隊選擇了53顆大小與地球最相似的系外行星，盡管它們的質量可能是地球的八倍。科學家們假設這種大小的行星比氣态更固态，因此更有可能在其表面或下方存在液态水。自從奎克和她的同事于2017年開始研究以來，發現了至少30多顆符合這些參數的行星，但它們并未包含在于6月18日發表在《太平洋天文學會出版物》雜志上的分析中。

确定了地球大小的行星後，奎克和她的團隊試圖确定每個行星可以産生和釋放多少以熱量為形式的能量。該團隊考慮了兩個主要的熱源。第一種是放射性熱量，它是行星在數十億年的時間裡由地幔和地殼中的放射性物質的緩慢衰變産生的。這種衰變率取決于行星的年齡和地幔的質量。其他科學家已經确定了類地行星的這些關系。因此，奎克和她的團隊将衰減率應用于他們的53顆行星列表，假設每顆行星都與其恒星年齡相同，并且其地幔與地球的地幔所占行星體積的比例相同。

接下來，研究人員計算了其他東西産生的熱量：潮汐力，這是當一個物體繞另一個物體運行時由引力牽引産生的能量。行星在伸展的或橢圓形的軌道上運行時會改變它們與恒星之間的距離。這導緻兩個物體之間的引力發生變化，并導緻行星拉伸，從而産生熱量。最終結果是，熱量通過表面散失到太空。

熱量的一種排出途徑是通過火山或低溫火山。另一條路線是通過構造，這是一個地質過程，負責行星或衛星最外層岩石或冰層的運動。無論熱量以何種方式排出，了解一顆行星向外排出多少熱量都很重要，因為它可能決定宜居性，也可能破壞宜居性。

圖解：木衛二上可以看到高達200千米的壯觀噴泉。圖源：baidu

例如，過多的火山活動會将宜居的世界變成充滿熔岩的噩夢。但是太少的活動會阻止構成大氣的氣體的釋放，從而留下寒冷、貧瘠的表面。恰到好處的釋放構成像地球這樣宜居的潮濕行星，或像木衛二這樣可能宜居的衛星。

在接下來的十年中，美國宇航局的木衛二快船将探索其地表和地下，并提供有關地表以下環境的資料。科學家對木衛二和太陽系其他可能宜居的衛星了解得越多，他們就越能更好地了解其他恒星周圍的類似世界——根據今天的發現，這些星球可能很多。

“即将到來的任務将使我們有機會看到太陽系中的海洋衛星是否可以支持生命的存在”，奎克說，她也是本次快船任務和土星衛星泰坦蜻蜓任務的科學團隊成員。“如果我們發現化學物質生命的迹象，我們可以嘗試在星際距離尋找類似的迹象。”

當韋伯發射時，科學家們将嘗試檢測TRAPPIST-1系統中一些行星大氣中的化學特征，該系統距離水瓶座39光年。2017年，天文學家宣布該系統有七顆地球大小的行星。有些人認為這些行星中的一些可能是水的，奎克的預估支持了這個想法。根據她的團隊的計算，TRAPPIST-1系統中的e、f、g和h四顆行星可能是充滿海洋的世界，這将使它們成為科學家在這項研究中所确定的14個海洋世界之一。

研究人員通過計量每個系外行星的表面溫度，對這些系外行星有海洋進行預測。這些信息是通過每顆行星反射到太空的恒星輻射量來揭示的。奎克的團隊還考慮了每顆行星的密度以及與地球相比它内部産生的熱量估計量。

“如果我們看到一顆行星的密度低于地球，這表明那裡可能有更多的水，而不是岩石和鐵”，奎克說。如果這顆星球的溫度允許存在液态水，那麼你就有了一個海洋世界。

“但如果一顆行星的表面溫度低于32華氏度（0攝氏度），水就會結冰，”奎克說，“那麼我們就有了一個冰冷的海洋世界，這些行星的密度甚至更低。”

與奎克和勞勃其一起參與這項分析的其他科學家是來自亞利桑那州圖森行星科學研究所的艾米·芭兒·米莉娜和來自莫斯科愛達荷大學的馬休·M·哈德曼。

by: Lonnie Shekhtman

FY: 超野的糖

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