【博科园-科学科普】在寻找能够支持外星生命的星球时，科学家们目前依赖于“低垂的果实”方法。既然我们只知道一生命可以繁荣的条件，即我们在地球上所拥有的条件，那么寻找有同样条件的世界是有意义的。这些包括位于恒星的宜居带内，有稳定的大气层，并能在表面保持液态水。
【博科园-科学科普】在寻找能够支持外星生命的星球时，科学家们目前依赖于“低垂的果实”方法。既然我们只知道一生命可以繁荣的条件，即我们在地球上所拥有的条件，那么寻找有同样条件的世界是有意义的。这些包括位于恒星的宜居带内，有稳定的大气层，并能在表面保持液态水。
图显示了一颗恒星的光照亮了行星的大气层。图片版权： NASA Goddard Space Flight Center
到目前为止科学家们一直依靠的方法使得探测到地球大气层中的水蒸气变得非常困难。但是多亏了由美国国家航空航天局戈达德太空研究所(GISS)的Yuka Fujii领导的一项新的研究，这可能即将改变。利用一种新的三维模型来考虑全球环流模式，这项研究也表明可居住的系外行星可能比我们想象的更为普遍。
最近发表在《天体物理学杂志》上的这项研究名为“同步旋转的温带陆地系外行星的nir驱动的潮湿上层大气”。
热木星wasp - 121b的概念图提供了迄今为止最好的证据，证明了在一个太阳系外行星上的平流层。图片版权：Bristol Science Centre/University of Exeter
简单地来说液态水对于人类所知的生命至关重要。如果一个行星没有足够的温暖的大气层来维持足够的液态水(按照数十亿年的顺序)，那么生命就不太可能出现并进化。如果一个行星离它的恒星太远，它的表面水就会结冰，如果它太靠近，它的地表水就会蒸发掉到太空。
尽管在太阳系外行星的大气层中已经探测到了水，但在所有的情况下，这些行星都是巨大的气态巨行星，它们与恒星之间的轨道非常紧密。(又名“热木星”)。
虽然在热木星的大气层中探测到H2O信号，但在温带类地行星上发现分子特征，包括H2O，这是非常具有挑战性的，因为行星半径小(由于温度较低，也可能是更大的平均分子量)。
当涉及到岩态系外行星时，先前的研究被迫依赖一维模型来计算水的存在。这包括测量氢的损失，在平流层中，水蒸气被分解成氢气和氧气，从暴露到紫外线辐射。通过测量氢在太空中消失的速度，科学家们将估计仍存在于表面的液态水的数量。
这些模型依赖于一些无法解决的假设，其中包括全球热量和水汽蒸气的传输，以及云层的影响。基本上先前的模型预测水汽上升到平流层，长期在这些行星表面温度必须超过66°C(150°F)高于地球上的温度。
这些温度可能会在地表产生强大的对流风暴。然而这些风暴不可能是水到达平流层的原因，因为在缓慢旋转的行星进入潮湿的温室状态时，水蒸气会加剧热量。与母恒星紧密相连的行星要么是缓慢旋转，要么是与它们的行星保持密切联系，从而使对流风暴不太可能发生。
这种现象经常发生在那些位于低质量、超冷、m型(红矮星)周围的类地行星上。对于这些行星，它们靠近它们的主恒星意味着它的引力影响将足够强大，以减缓或完全停止它们的旋转。当这种情况发生时，厚厚的云层就会出现在地球的一边，保护着它远离恒星的大部分光线。
研究小组发现，虽然这可以保持白天凉爽，防止水汽上升，但近红外辐射(NIR)的数量可以提供足够的热量，使地球进入一个潮湿的温室状态。这种现象在m型和其他冷矮星中尤其明显，它们在NIR中产生的更多。当辐射使云层变暖时，水汽将上升到平流层。
比邻星b的概念图，最接近太阳系的外行星。在背景中可以看到半人马座阿尔法星的双星系统。图片：ESO/M. Kornmesser
为了解决这个问题，依赖于大气环流和气候异质性的三维通用循环模型(GCMs)。研究团队开始创建一个有着类似地球大气层的行星，并且完全被海洋覆盖。这使得团队能够清楚地看到不同类型的恒星之间的距离变化对行星表面的影响。
这些假设让团队清楚地看到，如何改变轨道距离和类型的恒星辐射影响了平流层中水蒸气的含量。使用一个模型更实际地模拟大气条件下发现了一种新的过程控制系外行星的宜居性和将为进一步研究指导我们确定候星…发现一个重要的角色类型恒星发出的辐射和影响它对太阳系外行星的大气环流在潮湿的温室状态。
最后该团队的新模型证明了，由于低质量恒星发出的大部分光在NIR波长上，一个潮湿的温室状态将会导致行星与它们紧密地运行。这将导致它们表面的条件与地球在热带地区的经验相比较，那里的条件是热的和潮湿的，而不是炎热和干燥的。
行星表面的印象图，接近b环绕红矮星比邻星，双星阿尔法星AB在比邻星的右上方可见。图片：ESO
更重要的是模型表明，由nir驱动的过程逐渐增加了平流层的湿度，以至于在离恒星更近的系外行星可以保持适宜居住。这种评估潜在适居性的新方法将允许天文学家模拟行星大气层的循环和这种循环的特殊特征，这是一维模型无法做到的。
在未来，该小组计划评估行星特征的变化——例如重力、大小、大气成分和表面压力——可能会影响水汽的循环和可居住性。这将和他们的三维模型一起考虑行星环流模式，使天文学家能够更准确地确定遥远行星的潜在可居性。正如Anthony Del Genio所指出的：只要我们知道恒星的温度，就能估计靠近恒星的行星是否有可能处于潮湿的温室状态。”目前的技术将被推向极限，在一个系外行星的大气中探测少量的水蒸气。如果有足够的水被探测到，这可能意味着地球在潮湿的温室里。
除了为天文学家提供一种更全面的方法来确定外行星适居性之外，这项研究对那些希望在m型恒星周围找到可居住的行星的外行星们来说也是一个好消息。低质量，超冷，m型恒星是宇宙中最常见的恒星，约占银河系所有恒星的75%。他们知道他们可以支持可居住的系外行星，这大大增加了找到一颗行星的机率。
图中显示了trappist - 1f的可能表面，这是trappist - 1系统中新发现的行星之一。图片： NASA/JPL-Caltech
此外这项研究是一个非常好的消息，因为最近大量的研究已经使人们对m型恒星能够容纳适宜居住的行星的能力产生了严重的怀疑。这项研究是为了回应近年来在红矮星附近发现的许多类地行星。所揭示的是红矮星会经历太多的耀斑，可能会将它们各自大气层的行星都剥离出来。
其中包括7-planet TRAPPIST-1系统(三个位于恒星的宜居带)和最近的太阳系外行星,比邻星b。大量的类地行星斜恒星周围发现的，加上这类恒星的自然寿命,使得很多红矮星的天体物理社会风险可能是最有可能的地方找到适合居住的行星。这项最新的研究表明，这些行星可能是适合人类居住的球。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：NASA, The Astrophysical Journal
作者：Matt Williams
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