有三成恐怕带有液态水,它的行星分别什么样子

2019-08-31 03:09栏目:奥门新萄京娱乐场
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原标题:比地球大的系外行星中,有三分之一可能富含液态水!

在众多系外行星中,距离地球约39.13光年的TRAPPIST-1是一个特别的存在。该行星系统拥有7颗类地行星,其中2颗行星的体积在火星和地球之间,而其他五颗行星都与地球的体积非常接近。共有3颗行星的轨道位于“宜居带”内,而较内侧6颗行星的轨道几乎都是共振的。与此同时,除了太阳系以外,TRAPPIST-1也是科学家们了解最多的行星系统。那么,该系统的这些行星可能是什么样的,可居住区内的外行星大气又具有怎样的特征?

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一项新研究称,在太阳系以外体积比地球大的行星中,有三分之一很可能富含液态水。科学家表示,任何2到4倍地球体积的系外行星都很可能含有组成生命的主要物质,这为搜寻外星生命提供了线索。

TRAPPIST-1含水量的第一个提示

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七颗小行星绕着矮星TRAPPIST-1附近运行,NASA通过哈勃太空望远镜探测了它们的内部,以确认是否有水存在。通过数据研究表明,这些小行星可能都含有大量的水,包括位于可居住区内的三个小行星。在行星大气的演化过程中,紫外线辐射是其中一个重要因素,系统的各个行星都会接收到紫外线辐射。这样的反应和地球上紫外线的阳光会将分子分开相似,外行星上的紫外线星光,也可以将外行星大气中的水蒸气分解成氢气和氧气。在这个被科学家们称为光解离的过程中,水分子会被低紫外线辐射的破坏,而具有更多能量的紫外线和X射线,则会加热行星的高层大气,从而使得光解离氢和氧的产物逃逸。它们也可能被潮汐锁定,这意味着行星的同一侧始终面向恒星,每一侧都是白天或黑夜。虽然行星都比水星更接近它们的恒星,但TRAPPIST-1的一些行星仍然可以保持液态水的存在。

在太阳系以外体积比地球大的行星中,有三分之一很可能富含液态水

氢气不仅可以逃离系外行星的大气层,还能通过望远镜在系外行星周围探测到,作为大气中水汽的可能指标。大量的紫外线能量都该系统里的两个行星所接收,它们是TRAPPIST-1b和TRAPPIST-1c。并且,科学家们通过观测TRAPPIST-1所发出的紫外线辐射量发现,在这些行星的演变过程中,已经失去了较大的水量:在过去的80亿年中,内行星可能已经失去了超过20倍地球上海洋的水量,而大气逃逸则可能在这些行星的演化过程中发挥重要作用。然而,系统的外行星失去的水相对更少,哪怕是位于可居住区的行星e、f和g ,这说明它们可以在其表面上保留一些特征。虽然,关于轨道TRAPPIST-1的行星含水量的最终结论,科学家们尚无法通过现有的数据和天文望远镜得出。但计算出的水损失率,以及地球物理水释放率也有利于最外层、更大质量的行星保留水的想法。

对开普勒空间望远镜和盖亚任务(欧洲空间局的空间望远镜)的数据分析显示,这些行星可能有将近一半的质量由水组成——可能是液态水,也可能是冰冻状态。相比之下,地球上的水只占地球总质量的0.02%。

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研究第一作者是哈佛大学的曾理博士,他说:“这是一个很大的惊喜,我们意识到原来‘水世界’这么多。”在目前已发现的系外行星中,有4000颗已被证实或很可能具有2或4倍的地球体积,它们的平均半径分别是地球的1.5或2.5倍。

关于TRAPPIST-1行星大气层的线索

现在,一群来自不同国家的科学家开发了一个模型,对这些行星的内部结构进行分析。该模型基于盖亚任务卫星近期对这些行星的质量和半径测量结果。曾理博士说:“我们分析了质量与半径的相关关系,并开发了一个或许能解释这一关系的模型。”

因为那些距离较远的行星,可能会将其表面的水冻结为冰;所以,以大气蒸汽这种形式存在水,最靠近恒星的行星才具有这样的可能性。水对TRAPPIST-1的行星有多大的影响,完全取决于它们从这个矮星上能得到多少热量。因为液态水对了解行星大气的问题很重要,所以,科学家才必须弄清这些行星的表面是有水的存在,这也是判断其是否适宜居住的重要因素。通过哈勃的探测数据,揭示TRAPPIST-1行星 – d、e和f 跟太阳系的气体巨星并不一样,富含氢气的大气层,会使行星变热且不适合生命存在。

模型分析结果显示,体积较小的行星往往是岩石行星,其质量通常是地球的5倍;较大体积的行星具有10倍以上的地球质量,“很可能是‘水世界’,”曾理博士说道。

TRAPPIST-1的行星就像是蜷缩在一起的,如果用一个比较形象的表达方式来说明,那就是当你站在其中一个世界的表面时,能够看到天空中相邻行星的壮观景色。早在2016年,哈勃也曾对这些行星进行过观测,但却并未发现c和d中存在氢气气氛的证据,但是,这些结果反而有利于行星上存在如地球,金星和火星这样更紧凑气氛的期望。科学家需要进一步观察以确定行星g中大气的氢含量,深入研究行星大气层,寻找如二氧化碳、甲烷、水和氧气这样更重的气体,它们的存在可以暗示生命是否存在和该行星的宜居性。

曾理博士在波士顿举行的哥德斯密特大会上介绍了这些发现。“这是水,但并不像地球上经常见到的那样,”他解释道,“它们的表面温度预计为200到500摄氏度,它们的表面可能被一层主要由水蒸气组成的大气层覆盖,下方是液态水。”

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“再往下,我们可能会发现水转化成了高压的冰,然后才是固体岩石核心,”曾理博士补充道,“这个模型的优美之处在于,它解释了物质组成如何与这些行星的已知事实建立联系。”

如何计算出TRAPPIST-1的行星密度

1992年,科学家发现了环绕其他恒星运行的系外行星,并由此激发了天文学家了解这些行星的物质组成,并探索它们是否适合生命存在的热情。“我们的数据显示,已知体积大于地球的系外行星中,有35%的行星很可能富含水,”曾理博士说,“这些水世界形成的方式可能与我们在太阳系中发现的大型行星核心——木星、土星、天王星、海王星——十分相似。”

因为这些行星恰好排成一排,所以,当它们从恒星前面经过时,基于地球和太空的望远镜便可以探测到它的光线变化情况。科学家们可以通过过境法计算出行星的密度,行星的半径和星光变暗的量有关,然后再对所谓的“运输时间变化”加以利用。当然,由于TRAPPIST-1的行星紧密地组合在一起,所以研究人员需要稍微改变它们彼此“年”的时间。然后,通过轨道定时的变化,以用于估算行星的质量。最后,则将质量和半径用来计算该行星的密度。

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