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低质量系外行星大气逃逸机制揭示

寻找宜居星球向前迈进一步

来源:科技日报 作者:赵汉斌 2024年05月24日 09:57

  太古时期,围绕太阳公转的一些行星的大气层,可能因为多种原因离开行星进入太空。现在,这种流体大气逃逸方式在太阳系中已不复存在。

  然而,通过空间和地面望远镜观测,天文学家发现,在一些离宿主恒星很近的系外行星上,流体大气逃逸一直存在,这不仅改变了行星的质量,还影响了行星的气候和环境。

  近日,由中国科学院云南天文台研究员郭建恒发起的一项新研究,创新揭示了质量在地球到海王星范围内富氢系外行星流体大气逃逸的不同驱动机制,为人们准确理解这类逃逸过程提供了新视角,也为寻找可能适宜人类居住的系外行星提供了新方法。相关论文发表于《自然·天文》。

  寻觅带大气层的系外行星

  人类赖以生存的太阳,带着诸行星及其卫星亘古旋转。在太阳系外,是否还有带着行星游走的其他恒星?1995年,科学家首次找到了绕类太阳恒星转动的系外行星,并凭借此成果获得了2019年的诺贝尔物理学奖。

  “到目前为止,天文学界已发现5600多颗系外行星。”云南天文台研究员李焱向记者介绍。在地球上有智慧生命存在,而系外行星是否也能如此,取决于其是否宜居。对照太阳系,行星离恒星不能太近也不能太远,表面温度适宜,才能宜居。“星球上生命存在的另一个关键,就是一定要有液态水。”李焱说,大气层的存在,成为衡量一颗行星是否宜居的第三个重要条件。因此探测系外行星是否存在大气层,就成了非常重要的问题。

  “举例来说,金星和地球的环境十分相似,但为什么我们在金星上没有找到水,也没有找到生命的信号?其实,早期的金星表面曾存在水。有一种观点认为,早期金星上的水已随着大气逃逸了。”郭建恒告诉记者,这种逃逸机制,正是他研究的出发点。

  此前,人们需要依赖复杂的模型来判断一颗行星上的流体大气逃逸行为,但得到的结论往往并不明确。“流体大气逃逸是一个很复杂的过程,不同恒星的情况也千差万别。”郭建恒说,此次研究的意义,就是只要有确定的系外恒星及行星信息,就可以据此判断其行星大气是否稳定以及是否会逃逸。

  修正金斯参数

  历经多年研究,郭建恒发现,即使在没有其他外部能量源的情况下,在那些低质量和大半径的行星上,只要有足够多的内能或足够高的温度就可以驱动大气逃逸。

  在天文学中,金斯参数是用来描述天体系统中气体动力学性质的一个重要参数。它主要与天体的质量、半径、气体的温度、分子质量相关,反映了气体在引力作用下的稳定性。然而,当考虑外部能量驱动过程,比如恒星的极紫外辐射和潮汐力做功驱动,金斯参数就无法准确反映天体系统的气体动力学性质。

  因此,郭建恒引入恒星的潮汐力,定义了一个改进的金斯参数。通过该参数,能简洁准确地区分恒星潮汐力和极紫外辐射在驱动大气逃逸中的角色。以此为基础,科研人员只需使用质量、半径和轨道距离等恒星和行星的基本物理参数,就可以对低质量行星大气流体逃逸机制作出分类。这一新参数,不仅帮助研究者更精确地区分外部能源导致大气逃逸的不同物理过程,还可以很好地区分恒星极紫外辐射和潮汐力驱动的逃逸。

  “1924年提出的金斯参数,到现在为止一直都没有任何更改。对它进行修正,是我此次研究的贡献。”郭建恒说,研究还发现,具有高引力势和低恒星辐射的行星,更可能经历一种慢速的流体大气逃逸,否则行星则以快速的流体大气逃逸为主。

  “人类在宇宙中是否孤独?科学家一直在努力地寻求答案。”中国科学院院士、云南天文台研究员韩占文说,下一步我们需要知道行星上是否有大气、是否有生命,郭建恒团队对行星大气的逃逸机制作出了清晰的分类,推进了人们对行星大气逃逸的认识,为下一步研究行星的宜居性和行星大气演化过程提供了理论依据。

  多位论文审稿人也认为,该研究提出了一种新颖的方法来判断大气逃逸类别,这对了解系外行星非常重要。随着人类对宇宙中潜在宜居星球的探索不断深入,这一发现可帮助人们更好地理解那些遥远星球的环境及演变历程。

(责编:范婉璐)