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还在“死磕”类地行星? 氢海行星或许也是外星生命“摇篮”

来源:科技日报2021-09-14 13:22

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  探索宇宙,寻找外星生命,人类又迈出了一小步。

  近日,来自英国剑桥大学的天文学家认为,氢海系外行星或是孕育外星生命的“摇篮”。研究团队发表论文称,他们发现了一类新的宜居行星,这种系外行星的质量是地球的几倍,拥有巨大的液态水海洋和富含氢气的大气层,被称为氢海行星。

  也许在不久的将来,人类就能够在一颗意想不到的星球上,发现地外生命。

  宜居星球不只是类地行星

  “目前比较可信的氢海行星只有K2-18b一个。”邹远川直言,氢海行星是一个拥有主要由氢气所构成的薄大气层,以及由液态水(海洋)作为行星表层的系外行星。

  这种行星质量范围比较广,大致在1个到10个地球质量之间,邹远川说,以目前的观测来看,氢海行星的质量,正好处在人类能观测到的地外行星主要质量范围内。但其大气只占总质量的百万分之一左右,“氢海行星大气层很薄,要发现并确定它们并不容易。”邹远川说。

  自20世纪90年代初,人类首次发现太阳系之外的行星以来,我们已经发现了数千颗系外行星。在已知的数千颗系外行星中,绝大多数行星质量在地球和海王星之间,它们通常被称为超级地球或超小海王星,大多为大气富含氢的岩质行星和冰质巨行星,或介于两者之间的行星。氢海行星此前就被归属于超小海王星。

  目前,地球是人类唯一知晓存在生命的天体。在系外行星搜索中,我们始终把寻找生命迹象视为重头戏。为此,天文学家主要关注与地球体积、质量、温度和大气成分相似的行星,即类地行星。

  而在剑桥大学的最新研究中,研究人员认为或许不只有类地行星才宜居,此前曾被认定为非宜居行星的氢海行星,也有可能孕育生命。研究小组成员表示,氢海行星在整个银河系中似乎极其常见,它们可能拥有“极端生物”,如同能在地球上最恶劣环境中繁衍生息的生物一般。

  研究人员认为,氢海行星通常比地球更炎热,其大气温度或高达200摄氏度,具体情况取决于它们的宿主恒星及其与宿主恒星的距离。

  尽管氢海行星与地球有着不同的特性,但仍具有容纳大型海洋的特征,在富含氢的大气层下,或存在着行星尺度的巨大海洋。

  邹远川介绍,与类地行星相比,氢海行星可能存在于恒星周围更广的空间范围。这就意味着,即使位于宜居带范围之外,仍有机会找到能够孕育生命的行星。这个发现或可改写我们对于“宜居带”的一般性认识。

  氢海行星上的海洋或能孕育生命

  邹远川介绍,氢海行星的质量在地球和海王星之间。同样在此质量区间,大多数超小海王星则没有支撑生命存在的条件。大多数超小海王星的质量超过地球的1.6倍。虽然这一质量要比海王星小,但还是太大了,无法像地球一样拥有岩质的内部结构。“生命不能在气体中诞生,只能在岩石核上,如果气体太厚,岩石所处的气压太高,生命就无法存在。”他说。

  早期对这类行星的研究认为,它们富含氢的大气之下,压力和温度过高,无法支持生命存在。而剑桥大学研究团队最近对K2-18b的研究发现,在某些条件下,这类行星仍有机会支持生命繁衍。

  这一发现让该团队开始对相关行星和恒星性质开展了更加全面、详细的调查,寻找已知或未知的系外行星中哪些可能满足这些条件,以及是否有机会观测到它们的生物信号。

  邹远川说,这类行星还包含潮汐锁定的暗氢海行星,它们可能只有在永久背阴面具有宜居条件;还包括只能接收到来自恒星少量辐射的冷氢海行星。

  也有研究认为,氢海行星有条件支持地外生命存在的观点,更重要的是这类行星的数量和可观测性均高于类地行星,这将大大加速人类对太阳系之外的生命搜索工作。

  “最新的研究成果并没有推翻之前的行星研究结论。”邹远川坦言,新研究只是说在超级地球和超小海王星之间,还可能存在另外一种行星,即氢海行星。这种行星的氢气包层很薄,使得海洋表面压强不是特别大,能够支撑生命存在。对K2-18b的观测发现,也证明了符合上述构想的系外行星是存在的。

  生命形态极可能是微生物

  可以肯定的是,氢海行星为人类在寻找地外生命的道路上开辟了一条全新途径。

  剑桥大学研究人员认为,氢海行星大气中可能存在一些微量的生物标记物。不久的将来,人类或许可以通过光谱观测发现这些标记物。

  目前,该研究团队确定了一个相当大的潜在氢海行星样本库,这些样本可以成为下一代望远镜详细研究的候选对象。

  同时,仅仅依靠质量大小不足以确认一颗行星的具体情况,还需从温度和大气性质等其他方面进行更详细地研究。

  邹远川说,氢海行星比类地行星尺寸更大、温度更高,其大气富含氢,使得它们的大气特征更容易被探测到。

  他介绍,类似氢海行星这样的行星,在已知的系外行星中占了大多数。从光谱上探测氢海行星大气中的生物标记,需要更加强大的望远镜,即将发射的詹姆斯·韦伯望远镜正是一个适合用于此项研究的望远镜。

  从过程上看,对氢海行星的探测与探测类地行星是相同的,即先利用专用的行星探测望远镜找到地外行星,再在其中搜寻可能的候选体,然后利用超大望远镜进行详细观测。

  值得注意的是,虽然氢海行星是一种可能孕育生命的行星,但一方面,可以成为氢海行星的限制条件仍比较多,目前比较可信的候选体也只有一个;另一方面,即便该类行星能够孕育生命,也极有可能是微生物,因为氢海行星的大气中没有氧气, 无法支撑需进行有氧呼吸的大型动植物存活。

  邹远川介绍,对于寻找地外生命,目前的主流还是搜寻类地行星。如2009年至2013年,美国国家航空航天局(NASA)使用的开普勒空间望远镜;2018年发射、设计寿命到2020年但目前依然在服役的TESS小型空间望远镜;欧洲航天局在2015年发射、设计使用到2025年的PLATO空间望远镜,都是主要的地外行星发现者,但目前还没有探测到一颗真正意义上的另一个地球。

  邹远川说,目前我国上海天文台研究员葛健提出了地球2.0计划,经过长时间的观测,有望找到质量、体积、轨道周期等各项参数都和地球一致的“姐妹星”,再利用大型望远镜对该行星进行有针对性的长时间观测(包括成像和光谱观测),在邹远川看来,这将是最有可能找到地外生命的方式。(吴纯新 王潇潇

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