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决定系外行星生命存在的因素——潮汐锁向及母星有至关重要的关系

实际上太阳只是银河系中一颗极其普通的恒星,仅仅在银河系中就有2000亿~4000亿颗恒星,而已知的宇宙已经包含了10 ^11的银河系,随着几十年来一系列的天文学观测表明,我们所处的太阳系只不过是茫茫宇宙中极其普通的一个恒星系,除了我们人类和其他生灵生活在地球以外,就再也没有什么特殊的地方了,很难想象地球是宇宙中唯一具有生命的特殊行星。

决定系外行星生命存在的因素——潮汐锁向及母星有至关重要的关系

1995年人类正式开启了系外行星的搜索时代,20年来天文学家发展了视向速度法,凌星法,引力透镜法等一系列搜寻系外行星的方法,并且已经成功地对部分系外行星进行了光谱观测和直接成像,使这些曾经隐藏于望远镜能力极限外的天体呈现在我们眼前,自1995年第1颗太阳系外行星被发现后到现在人类一共确定了4302多颗系外行星,还有数千颗候选行星,而这个数量目前也一直在迅速的增加着,人类发现的系外行星比之前20年内发现的都要多,所以可以预见的是以后会有更多的系外行星被发现。决定系外行星生命存在的因素——潮汐锁向及母星有至关重要的关系

图解:系外行星

决定生命存在的因素

  • 温度

目前公认的宜居的类似地球生命存在的最关键的条件是液态水的存在,因此一颗行星是否适宜生命存在的关键是其表面温度能否保持液态水的长期存在,也就是说其表面温度介于0℃~70℃,如果行星的表面低于0℃行星将是冰封的,如果高于70℃行星将进入温室逃逸状态,其表面的液态水将被完全蒸发进入大气层并最终被光解。因为行星表面的温度在很大程度上取决于它与恒星之间的距离,所以说上面所说的温度范围意味着只有行星处于距离恒星适当的带状区域内才有可能是宜居的,如果距离恒星太远行星的表面温度降太低而全面进入冰封,如果太近则进入温室逃逸状态。

围绕恒星的带状区域通常称为恒星的宜居带,对于太阳系来说,地球基本处于太阳宜居带的中心,而金星超出了宜居带内侧范围,火星则位于太阳宜居带的外侧边缘,所以金星很可能在早期经历了温室逃逸过程,而且现在表面的温度高达480℃已没有液态水的存在,而火星的表面温度则低达零下60℃,也不太可能有生命的存在。

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  • 恒星位置

一般来说不同的恒星它的宜居带是不同的,恒星的质量越大温度越高,它的宜居带就离它越远,例如一颗发光度是太阳25%的恒星,它的宜居带在大约在0.5个天文单位的附近,其发光度是太阳度两倍的恒星它的宜居带大约在1.4个天文单位,而数量最多的红矮星宜居带大约在0.1个天文单位的区域,这是因为发光度遵循平方反比定律。

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  • 大气层

如果一个行星有着与地球相似的大气构造与厚度时,系外行星的宜居带中心的行星必然有着与地球相似的平均温度,不仅要处在宜居带恒星自身也不能太大或者太小,恒星的体积过小引力就会过弱而不足以维持大气层而且内部能量会快速散失并无法维持任何的地质活动,而体积过大的行星基本上都是像木星这样的气态行星,它们没有岩石质地同样无法孕育生命。

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第1颗可能适合人类生存的类地行星——吉利斯581c

目前天文探测技术更易于探测距离恒星较近的行星,而红矮星又是宇宙中数量最多的恒星,占宇宙恒星总数的75%,目前所发现的系外行星中80%都是处于红矮星附近的,例如发现的第1颗可能适合人类生存的类地行星——吉利斯581c,它的母星吉利斯581就是一颗位于天秤座 β星以北附近 2°的红矮星,距离地球约20.4光年,这颗系外行星是由欧洲的天文学家在2007年的4月发现的,它的质量是地球的5.5倍,大小是地球的1.5倍,该行星表面温度在0℃~40℃之间,水可以处于液体状态,因此类似于我们这样的生命是有可能存在于这颗星球并且存活下来的。

2008年和2009年已向这颗星球发送了来自人类的问候,在由社交网站和科学杂志组织的两场活动中收集了代表地球生活的美好与繁荣,并把这些信息通过乌克兰和澳大利亚的射电望远镜发给了吉利斯581的行星系统,如果那里有着和我们科技水平相当的智慧文明,估计在2029年它们就会收到我们的问候了,如果它们做出回应最快在2049年的时候,我们就能收到来自于它们的消息了。决定系外行星生命存在的因素——潮汐锁向及母星有至关重要的关系

图解:吉利斯581c

比邻星行星系统也可能存在着一颗适合生命存活的行星——比邻星b

比邻星b的母星比邻星,也就是半人马座 α星C是一颗红矮星,半人马座α星共包括三颗恒星分别为:

  • 半人马座α星A
  • 半人马座α星B
  • 半人马座α星C
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其中半人马座α星A与半人马座α星B它们是一对双星,距离太阳约4.24光年,而第3个成员半人马座α星C是一颗红矮星,通常被认为是这个恒星系的一部分,距离太阳只有4.22光年,是已知的距离太阳最近的一颗恒星,这三颗恒星所组成的系统是稳定的,比邻星是三颗恒星中质量最小最暗淡的那颗,但是它却是最受关注的那颗,比邻星的视星等只有11等,肉眼根本看不到。

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欧洲南方天文台的光谱仪还能在视线的方向上监测比邻星的位移,探测发现比邻星有时会以5000m/h的速度靠近地球,有时又会以相同的速度远离地球,5000m/h这个速度仅仅是人类步行的速度,4光年以外如此微小的变化也难逃离科学家的法眼。

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决定系外行星生命存在的因素——潮汐锁向及母星有至关重要的关系

在行星围绕恒星运转时,行星的引力作用会令恒星在视向方向上产生微小的变化,这些变化会反映在恒星的光谱中的吸收线上并呈现非常微弱的多普勒效应,天文学家可以据此推算出比邻星附近行星的相关数据。2016年8月,欧洲南方天文台宣布在比邻星的周围发现一颗行星,这颗行星被命名为——比邻星b。比邻星b的质量大约是地球的1.2倍~1.3倍,与比邻星之间的距离大约是0.04 7个天文单位,公转周期为11天,其位置刚好处于宜居带中,表面温度支持液态水的存在。

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潮汐锁向会产生非常严重的问题

目前找到的宜居带的行星几乎都是距离红矮星很近的行星,这类行星和地球相比有一个很大的区别,那就是潮汐锁向,所谓潮汐锁向就是指行星的一面永远面对着母星,而另一面永远背对着母星,这种情况与地球和月球的关系相似,月球就被地球潮汐锁向,我们在地球上永远只能看到月亮的一面,而不能看到它的另一面。恒星与行星的长期锁向会产生一个非常严重的问题,那就是加热不均,朝阳面会一直因为恒星的照射而温度较高,而背阳面会因为得不到恒星的辐射而极度寒冷,这样的星球真的有适合生命存活的可能吗?

这种不均匀的温度带来的问题就是行星的背阳面会出现一种叫做大气坍缩现象,任何大气成分都有其凝结点和凝固点,在地球上氮气,氧气和二氧化碳的凝固点分别是-210℃,-219℃和-78.5℃,当地球的温度低于这些温度时二氧化碳,氮气和氧气将相继降落到地面,特别是当氧气都沉到地面以后地球上将会没有大气层或者只有较为稀薄的大气层。

潮汐锁向的行星它的背阳面由于阳光照射不到温度有可能极低,大气成分有可能全部沉降到背阳面形成所谓的大气塌缩现象,这样在不考虑温室效应的前提上,即使行星的温度合适了在没有大气层的情况下,生命还是很难存活的,对于这个问题我们可以不用悲观,因为还要考虑到热量的传递,如果朝阳面向背影面的大气热量输送,能够使得背阳面的温度上升足以阻止二氧化碳沉降的话,那么大气塌缩现象就不会发生,当行星表面达到0.1~0.15个大气压时,大气塌缩现象确实就不会发生在这些行星上了。

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红矮星对生命也有着考验

红矮星的恒星活动比较频繁剧烈,有时候红矮星的表面会覆盖大量黑子把能量输出降低到平时的40%以下,这样的情形就可能导致行星的全面冰冻,而有时红矮星就会在几分钟内变得十分活跃,不但向行星输送大量的能量还会产生许多高能粒子侵蚀掉行星的大气层,这对行星的护盾磁场来说是一个严重的考验,以地球的磁场强度是无法在红矮星的身边保护自己的大气层的,另外红矮星的磁场更强,强度高达太阳的数百倍,强磁场会压制其行星的磁场,甚至完全摧毁行星对高能粒子的屏蔽作用,让太阳风威胁地表的生命。

红矮星从形成到主序阶段的时间较长,一般需要上亿年的时间,而在这最初的几亿年的时间中,红矮星的能量输出要比主序阶段多得多,随着它逐渐安定下来,它的宜居带才会渐渐地向内收缩,这时候就会造成一个问题,那就是主序阶段的宜居行星它最初是像金星这样因为温度过高而没有水的行星,如果没有水即便处在宜居带也是无济于事的,虽然红矮星附近的行星是目前发现最多的行星,但是由于大气坍缩问题,由于恒星活动比较频繁的问题,由于恒星的移居带向内收缩的问题,红矮星附近的行星是否具备生命存活的条件还是一个未知数。

决定系外行星生命存在的因素——潮汐锁向及母星有至关重要的关系

结语·宇宙中出现生命的概率

当我们发现的研究的类地行星数量多到一定的情况下就会发现有各种条件都特别合适的地方,例如罗斯128这颗红外星就是一颗相比于其他红矮星都安静的行星,它的恒星活动不频繁也没有那么剧烈,而它的附近就有一颗位于宜居带的行星——罗斯128b决定系外行星生命存在的因素——潮汐锁向及母星有至关重要的关系

图解:罗斯128b

宇宙是足够大的,等待我们发现和研究的目标也足够多,虽然可能发现外星人的努力得到的结果是肯定这样一个事件是一个小概率的事件,但是学过统计学的人都知道小概率的事件一次不会发生,但是如果我们一直不停的重复着这个小概率事件,存在大量重复实验的情况下,这种小概率的事件就一定会发生,因为我们知道宇宙中出现生命的概率是大于0的。

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