最新研究稱“系外衛(wèi)星”可能存在外星生命

ldjsld 2015-11-01

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兩顆環(huán)繞巨大氣體行星的系外衛(wèi)星的藝術家印象圖。

鳳凰科技訊北京時間3月8日消息，美國太空網(wǎng)報道，近日天文學家正在靜等并默默祈禱美國宇航局開普勒太空任務搜集的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，該任務已經(jīng)檢測到近3000顆可能的系外行星，它隱藏了或可能發(fā)現(xiàn)的第一批系外衛(wèi)星的特征。系外衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)將為持續(xù)進行的搜尋系外可居住星球的研究開辟令人興奮的新邊界，一旦證實系外衛(wèi)星的存在，科學家將開始定義可能影響它們可居住性的獨特特征。
由于系外衛(wèi)星環(huán)繞更大的行星天體，它們本身的潛在可居住性可能比系外行星本身面臨更多額外的限制條件。例如，宿主行星產(chǎn)生的日食現(xiàn)象，以及反射太陽光和熱量釋放等。最重要的是，宿主行星產(chǎn)生的引力導致的潮汐加熱可能嚴重的影響衛(wèi)星的氣候和地質(zhì)情況。
本質(zhì)上來說，與行星相比，衛(wèi)星擁有額外的能量來源，這能夠改變它們的“能量預算”，但倘若能量過高也可能將一個溫和的潛在生命樂園變成一個燒焦的廢墟。“衛(wèi)星的可居住性與行星的可居住性的差異大體上在于它對能量預算的不同貢獻?！钡聡ù奶谷R布尼茲天體物理學研究所的博士后研究員勒內(nèi)·海勒(René Heller)這樣說道。
“可居住的邊緣”
在最新發(fā)表的一系列文章中，海勒和同事、美國華盛頓大學以及美國宇航局天體生物學研究所的羅尼·巴內(nèi)斯（Rory Barnes）討論了幾個因系外衛(wèi)星和它們的宿主行星之間關系引發(fā)的可居住性的大問題。
海勒和巴內(nèi)斯提出了環(huán)繞行星的“可居住邊緣”的概念，有點類似已經(jīng)確定的環(huán)繞恒星的“可居住區(qū)”，該可居住區(qū)距離恒星的位置合適，溫度適宜恰好適合液態(tài)水的存在，因此也被稱為“宜居帶”（Goldilocks zone）。
可居住邊緣則不太相同，它被定義為行星軌道最內(nèi)部，在這里系外衛(wèi)星無需經(jīng)歷所謂的“失控的溫室效應”，為了適合生命存在，衛(wèi)星必須位于可居住邊緣以外環(huán)繞著行星運行，海勒說道。
因積極的反饋循環(huán)導致行星或衛(wèi)星的氣候無限加熱時就會產(chǎn)生失控的溫室效應。據(jù)稱這種現(xiàn)象曾在地球的雙胞胎姐妹——金星上發(fā)生過。年輕明亮的太陽產(chǎn)生的熱導致金星表面的一個原始海洋完全蒸發(fā)。而蒸發(fā)過程導致大氣層里存在更多吸熱的水蒸氣，這又進一步導致更多的蒸發(fā)，這個過程不斷循環(huán)最終導致水分子因太陽的紫外線輻射而分解成氫和氧，而金星也最終干涸枯竭。金星大氣里的氫逃逸到外太空，而沒有氫元素也就無法形成水。
“一般來說，尤其是在太陽系里，恒星照明是衛(wèi)星獲得能量的主要來源?！焙＠照f道?！霸诟鼘掗煹男行擒壍郎希l(wèi)星幾乎完全依賴于恒星的能量輸入。但如果一顆衛(wèi)星環(huán)繞宿主行星的距離非常近，那么行星的恒星反射、自身的熱能釋放、日食以及潮汐加熱也變得非常重要?！?br> 非潮汐性加熱效應的累積效應非常小，但它可能是位于可居住邊緣內(nèi)部和外部的系外衛(wèi)星的主要區(qū)別。
沐浴在日光
在地球上，通過月光的形式我們從月球上獲得了一點額外的能量，月光主要是反射太陽的光芒。月球也會從行星鄰居獲得更多的日光；地球照亮月球的光亮大約是月球照亮地球夜空的50倍。除了反射日光，行星還會以熱能輻射的形式向系外行星放射已經(jīng)吸收的日光。
行星照耀產(chǎn)生的能量總量對系外行星的整體能量攝入來說不可忽視。設想一顆氣體巨星環(huán)繞著類似太陽的恒星運行，距離大約是地球與太陽的距離。它周圍有一顆衛(wèi)星在非常近的軌道環(huán)繞它運行，就像木衛(wèi)一環(huán)繞木星的軌道，海勒計算出這樣的衛(wèi)星能夠吸收每平方米7瓦特左右的能量（地球從太陽吸收每平方米240瓦特的能量）。
周期性黑暗
日食可能會潛在的抵消某些行星照耀獲得的額外能量輸入。就日食現(xiàn)象，海勒計算出近軌道的系外衛(wèi)星丟失的恒星照耀能量大約為整體的6.4%。
有趣的是，由于大多數(shù)衛(wèi)星（包括我們的月球）的都潮汐鎖定到自己的行星——也即衛(wèi)星的一面會持續(xù)正對行星——日食以及行星照耀只會導致一個半球的明亮或黑暗。這種現(xiàn)象也可能會改變氣候，以及生命形式的行為，而在地球上并不會發(fā)生這種現(xiàn)象。
“衛(wèi)星上的不對稱照明，從地理和時間的角度上說，可能會導致特殊的風和溫度模式，這在行星氣候?qū)W方面還是個未知?！焙＠照f道?！吧钤谛l(wèi)星的生命形式會面臨規(guī)則且頻繁的日食現(xiàn)象，它們肯定會適應睡-醒和搜尋-隱藏的節(jié)奏，但這也只限于生活在面朝行星的半球的生物?！?br> 潮汐加熱效應
盡管因日食導致的照明損失只有不到10%，但衛(wèi)星-行星二重奏必須距離恒星非常近才能補償這種損失，前提是這顆衛(wèi)星具有可居住性的潛力。然而這種情況也導致了可居住性問題存在的另一個障礙：行星距離恒星越近，恒星對行星的衛(wèi)星的潮汐引力越大。這種額外的引力會導致衛(wèi)星進入一種非圓性或者偏心的運行軌道，而偏心軌道會導致衛(wèi)星在環(huán)繞過程中受到不同大小的引力壓力。
這種“潮汐力”會因摩擦力而導致加熱。地球上海洋潮汐力的產(chǎn)生部分原因是因為月球引力拖拽了靠近它的水和陸地，從而扭曲了地球的形狀。這種效應是雙向但不對等的，與較小的衛(wèi)星相比，行星受到的潮汐加熱效應要大得多。
如果系外衛(wèi)星的軌道距離行星太近，潮汐加熱將會導致能量預算過高，從而積累失控的溫室效應。極端情況下，潮汐加熱會引發(fā)強烈的火山活動，導致衛(wèi)星被濃厚的巖漿覆蓋，從而變得不適宜生命居住，就像“披薩衛(wèi)星”木衛(wèi)一一樣。
另一方面，潮汐加熱也可能是生命的救星。潮汐加熱可以幫助維持地下海洋，類似于科學家懷疑木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二上存在的地下海洋，這種效應還可能將一個位于傳統(tǒng)可居住區(qū)以外的系外衛(wèi)星潛在的變得適宜居住。
小恒星，死亡衛(wèi)星
日食現(xiàn)象剝奪系外衛(wèi)星能量導致衛(wèi)星-行星必須距離恒星非常近的問題還涉及另一個因素，也即，為了保持與行星的引力吸引并且不被恒星的引力撕裂，衛(wèi)星必須位于所謂的“希爾半徑”——也就是行星的引力優(yōu)勢范圍。這個半徑縮小到距離宿主恒星足夠近的范圍。行星和衛(wèi)星距離恒星越近，可居住邊緣以外的空間越少。
對環(huán)繞昏暗、冷卻、低質(zhì)量恒星，也即紅矮星，的行星和衛(wèi)星而言，這種動態(tài)性變得異常重要。環(huán)繞紅矮星的可居住區(qū)非常緊密，以質(zhì)量為太陽質(zhì)量1/4的恒星為例，宜居帶的位置大約是地球太陽距離的13%，換句話說也即水星和太陽距離的1/3。
在紅矮星太陽系內(nèi)，衛(wèi)星不僅僅要非?？拷行堑目删幼^(qū)，當然前提是行星距離自身恒星足夠近，衛(wèi)星的軌道還必須相對偏心。這些特性增加了衛(wèi)星位于可居住邊緣的可能性。海勒計算出很多紅矮星存在可居住衛(wèi)星的概率相對較小。
“還存在一個至關重要的因素，那便是恒星質(zhì)量極限，當恒星質(zhì)量低于這個質(zhì)量極限時，根本不可能有任何可居住衛(wèi)星存在?！焙＠战忉尩??！碍h(huán)繞低質(zhì)量恒星——也即質(zhì)量大約為太陽質(zhì)量的20%——的衛(wèi)星必須距離行星可居住區(qū)非常近，以保持引力相系吸，但它因此會受到強烈的潮汐加熱效應從而導致不適合居住?！?br> 多重因素
除了可居住邊緣，很多其他相關因素會最終決定一顆系外衛(wèi)星的可居住性。
考慮到大多數(shù)生物（不僅僅是地下細菌）的生存，系外衛(wèi)星必須和其它可居住的、類似地球的系外行星一樣符合某些基本的條件。它的地表必須存在液態(tài)水，它必須擁有長期的大氣層以及磁場以保護生命免受太陽輻射，對環(huán)繞類似木星這樣的氣體巨星的系外衛(wèi)星而言，則是為了避免巨星系外行星磁氣圈產(chǎn)生的帶電粒子。
據(jù)科學家推測，具備這些特性的可宜居系外衛(wèi)星可能要比太陽系內(nèi)的衛(wèi)星體積都大——可能比地球體積略微大一些。太陽系最大的衛(wèi)星，木星的衛(wèi)星木衛(wèi)三，質(zhì)量只有地球的2.5%。但之前的研究表明，按照太陽系的標準，巨大的衛(wèi)星的存在也不是不可能的。
美國宇航局開普勒太空項目預計將探測到質(zhì)量為地球的20%的系外衛(wèi)星?？茖W家收集的數(shù)據(jù)，包括行星（或者衛(wèi)星本身）遮擋住我們觀測視線時導致星光光亮度的略微下降，將揭示衛(wèi)星的質(zhì)量以及軌道參數(shù)等。
利用這些信息，加上之前提出的可居住邊緣理論，天文學家希望能夠提出一些就發(fā)現(xiàn)的某些衛(wèi)星是否支持生命存在的比較靠譜的猜想。海勒希望借助下一代設備的觀測，例如美國宇航局的韋伯太空望遠鏡以及各種30米地面望遠鏡，能夠發(fā)現(xiàn)一系列系外衛(wèi)星候選者。這些新型觀測設備將幫助定義系外衛(wèi)星的大氣層并提供或可能支持生命存在的證據(jù)。
“我們發(fā)現(xiàn)的第一批系外衛(wèi)星可能非常巨大——體積相當于地球或火星——因此本質(zhì)上來說可能比小衛(wèi)星更可能支持生命存在?！焙＠照f道?！袄瞄_普勒太空望遠鏡我們在恒星可居住區(qū)發(fā)現(xiàn)的巨型行星比類地行星的數(shù)量要多得多，我們必須盡力查明這些巨星的潛在可居住衛(wèi)星上可能存在的環(huán)境條件和情況，這一點非常重要！”（編譯/嚴炎劉星）