首次將3-D氣候模型與化學(xué)提煉相結(jié)合的研究 哪些系外行星可能適合居住

為了尋找外太空的生命，天文學(xué)家首先需要知道在哪里尋找。西北大學(xué)的一項(xiàng)新研究將幫助天文學(xué)家縮小搜索范圍。

該研究小組是第一個將3-D氣候模擬與大氣化學(xué)結(jié)合起來以研究M 矮星周圍行星的宜居性的行星，這些矮星約占銀河總?cè)丝诘?0%。通過使用該工具，研究人員通過考慮恒星的輻射和行星的自轉(zhuǎn)速率，重新定義了使行星適合居住的條件。

在調(diào)查結(jié)果中，西北研究小組與科羅拉多大學(xué)博爾德分校，美國宇航局虛擬星球?qū)嶒?yàn)室和麻省理工學(xué)院的研究人員合作，發(fā)現(xiàn)只有繞動恒星運(yùn)行的行星，這些恒星會發(fā)出大量的紫外線(UV)輻射，蒸發(fā)掉大量水。不活躍或安靜的恒星周圍的行星更有可能維持維持生命的液態(tài)水。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，具有薄臭氧層的行星，其原本就可以適應(yīng)的表面溫度，會受到危險的紫外線劑量，這對復(fù)雜的表面生命是有害的。

該研究的第一作者西北大學(xué)的霍華德·陳說：“對于人類的大多數(shù)歷史而言，生命是否存在于其他地方的問題僅屬于哲學(xué)領(lǐng)域。” “只是近年來，我們才有了建模工具和觀測技術(shù)來解決這個問題。”

研究的資深作者丹尼爾·霍頓補(bǔ)充說：“仍然有很多恒星和行星，這意味著有很多目標(biāo)。” “我們的研究可以幫助限制我們必須指向望遠(yuǎn)鏡的地方數(shù)量。”

這項(xiàng)研究將于11月14日在線發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》上。

霍頓(Horton)是西北大學(xué)溫伯格文理學(xué)院的地球與行星科學(xué)助理教授。陳博士 西北氣候變化研究小組的候選人和美國宇航局的未來調(diào)查員。

“金發(fā)姑娘區(qū)”

為了維持復(fù)雜的生命，行星需要能夠保持液態(tài)水。如果行星離恒星太近，那么水將完全蒸發(fā)。如果行星離恒星太遠(yuǎn)，則水將凍結(jié)，并且溫室效應(yīng)將無法使表面保持足夠的生命。這個Goldilocks地區(qū)稱為“恒星宜居區(qū)”，這是賓夕法尼亞州立大學(xué)的James Kasting教授創(chuàng)造的一個術(shù)語。

研究人員一直在努力弄清楚，對于一個星球來說，要維持液態(tài)水太近了。換句話說，他們正在尋找可居住區(qū)域的“內(nèi)部邊緣”。

陳說：“我們太陽系的內(nèi)緣在金星和地球之間。” “金星不可居住;地球可居住。”

Horton和Chen正在尋找我們太陽系以外的地方，以查明M矮星體系統(tǒng)中的可居住區(qū)域。由于M矮行星數(shù)量眾多且更易于查找和調(diào)查，因此它們已成為尋找宜居行星的先行者。它們的名字來自它們繞其繞行的小型，涼爽，昏暗的恒星，稱為M矮星或“紅矮星”。

關(guān)鍵化學(xué)

其他研究人員通過使用1D和3D 全球氣候模型對M矮行星的大氣特征進(jìn)行了描述。這些模型還用于地球上，以更好地了解氣候和氣候變化。但是，以前的巖石系外行星3D研究遺漏了重要的東西：化學(xué)。

通過將3-D氣候建模與光化學(xué)和大氣化學(xué)相結(jié)合，霍頓和Chen繪制了一張更完整的圖景，說明恒星的紫外線輻射如何與行星大氣中的氣體(包括水蒸氣和臭氧)相互作用。

在他們的模擬中，霍頓和陳發(fā)現(xiàn)恒星的輻射是決定行星是否宜居的決定性因素。具體來說，他們發(fā)現(xiàn)繞著活躍恒星運(yùn)行的行星很容易因蒸發(fā)而損失大量的水。這與以前使用無活性光化學(xué)的氣候模型的研究形成了鮮明的對比。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，由于其薄薄的臭氧層，許多位于宜居區(qū)域的行星無法維持生命。盡管具有其他宜居的表面溫度，但這些行星的臭氧層仍允許過多的紫外線輻射穿過并滲透到地面。輻射水平會危害表面壽命。

Chen說：“ 3-D光化學(xué)起著巨大的作用，因?yàn)樗峁┘訜峄蚶鋮s，這會影響行星系統(tǒng)的熱力學(xué)以及大氣成分。” “在系外行星研究巖石行星的文獻(xiàn)中，這些模型實(shí)際上并沒有真正使用過，因?yàn)樗鼈兊挠?jì)算量非常大。其他研究更大行星的光化學(xué)模型，例如氣體巨人和熱木星，已經(jīng)表明人們不能忽視化學(xué)反應(yīng)。調(diào)查氣候。”

霍頓說：“修改這些模型也很困難，因?yàn)樗鼈冏畛跏菫榈厍颦h(huán)境設(shè)計(jì)的。” “修改邊界條件并仍然使模型成功運(yùn)行一直是一個挑戰(zhàn)。”

“我們一個人嗎?”

霍頓和陳認(rèn)為，這些信息將有助于觀測天文學(xué)家尋找其他地方的生命。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡等儀器具有探測系外行星上水汽和臭氧的能力。他們只需要知道在哪里看。

“'我們一個人嗎?' 是最大的懸而未決的問題之一。” “如果我們能夠預(yù)測哪些行星最有可能擁有生命，那么我們可能會在生命中做出更大的回應(yīng)。”