原标题:比地球大的系外行星中,有三分之一可能富含液态水!

在众多系外行星中,距离地球约39.13光年的TRAPPIST-1是一个特别的存在。该行星系统拥有7颗类地行星,其中2颗行星的体积在火星和地球之间,而其他五颗行星都与地球的体积非常接近。共有3颗行星的轨道位于“宜居带”内,而较内侧6颗行星的轨道几乎都是共振的。与此同时,除了太阳系以外,TRAPPIST-1也是科学家们了解最多的行星系统。那么,该系统的这些行星可能是什么样的,可居住区内的外行星大气又具有怎样的特征?

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一项新研究称,在太阳系以外体积比地球大的行星中,有三分之一很可能富含液态水。科学家表示,任何2到4倍地球体积的系外行星都很可能含有组成生命的主要物质,这为搜寻外星生命提供了线索。

TRAPPIST-1含水量的第一个提示

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七颗小行星绕着矮星TRAPPIST-1附近运行,NASA通过哈勃太空望远镜探测了它们的内部,以确认是否有水存在。通过数据研究表明,这些小行星可能都含有大量的水,包括位于可居住区内的三个小行星。在行星大气的演化过程中,紫外线辐射是其中一个重要因素,系统的各个行星都会接收到紫外线辐射。这样的反应和地球上紫外线的阳光会将分子分开相似,外行星上的紫外线星光,也可以将外行星大气中的水蒸气分解成氢气和氧气。在这个被科学家们称为光解离的过程中,水分子会被低紫外线辐射的破坏,而具有更多能量的紫外线和X射线,则会加热行星的高层大气,从而使得光解离氢和氧的产物逃逸。它们也可能被潮汐锁定,这意味着行星的同一侧始终面向恒星,每一侧都是白天或黑夜。虽然行星都比水星更接近它们的恒星,但TRAPPIST-1的一些行星仍然可以保持液态水的存在。

在太阳系以外体积比地球大的行星中,有三分之一很可能富含液态水

氢气不仅可以逃离系外行星的大气层,还能通过望远镜在系外行星周围探测到,作为大气中水汽的可能指标。大量的紫外线能量都该系统里的两个行星所接收,它们是TRAPPIST-1b和TRAPPIST-1c。并且,科学家们通过观测TRAPPIST-1所发出的紫外线辐射量发现,在这些行星的演变过程中,已经失去了较大的水量:在过去的80亿年中,内行星可能已经失去了超过20倍地球上海洋的水量,而大气逃逸则可能在这些行星的演化过程中发挥重要作用。然而,系统的外行星失去的水相对更少,哪怕是位于可居住区的行星e、f和g
,这说明它们可以在其表面上保留一些特征。虽然,关于轨道TRAPPIST-1的行星含水量的最终结论,科学家们尚无法通过现有的数据和天文望远镜得出。但计算出的水损失率,以及地球物理水释放率也有利于最外层、更大质量的行星保留水的想法。

对开普勒空间望远镜和盖亚任务(欧洲空间局的空间望远镜)的数据分析显示,这些行星可能有将近一半的质量由水组成——可能是液态水,也可能是冰冻状态。相比之下,地球上的水只占地球总质量的0.02%。

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研究第一作者是哈佛大学的曾理博士,他说:“这是一个很大的惊喜,我们意识到原来‘水世界’这么多。”在目前已发现的系外行星中,有4000颗已被证实或很可能具有2或4倍的地球体积,它们的平均半径分别是地球的1.5或2.5倍。

关于TRAPPIST-1行星大气层的线索

现在,一群来自不同国家的科学家开发了一个模型,对这些行星的内部结构进行分析。该模型基于盖亚任务卫星近期对这些行星的质量和半径测量结果。曾理博士说:“我们分析了质量与半径的相关关系,并开发了一个或许能解释这一关系的模型。”

因为那些距离较远的行星,可能会将其表面的水冻结为冰;所以,以大气蒸汽这种形式存在水,最靠近恒星的行星才具有这样的可能性。水对TRAPPIST-1的行星有多大的影响,完全取决于它们从这个矮星上能得到多少热量。因为液态水对了解行星大气的问题很重要,所以,科学家才必须弄清这些行星的表面是有水的存在,这也是判断其是否适宜居住的重要因素。通过哈勃的探测数据,揭示TRAPPIST-1行星
– d、e和f
跟太阳系的气体巨星并不一样,富含氢气的大气层,会使行星变热且不适合生命存在。

模型分析结果显示,体积较小的行星往往是岩石行星,其质量通常是地球的5倍;较大体积的行星具有10倍以上的地球质量,“很可能是‘水世界’,”曾理博士说道。

TRAPPIST-1的行星就像是蜷缩在一起的,如果用一个比较形象的表达方式来说明,那就是当你站在其中一个世界的表面时,能够看到天空中相邻行星的壮观景色。早在2016年,哈勃也曾对这些行星进行过观测,但却并未发现c和d中存在氢气气氛的证据,但是,这些结果反而有利于行星上存在如地球,金星和火星这样更紧凑气氛的期望。科学家需要进一步观察以确定行星g中大气的氢含量,深入研究行星大气层,寻找如二氧化碳、甲烷、水和氧气这样更重的气体,它们的存在可以暗示生命是否存在和该行星的宜居性。

曾理博士在波士顿举行的哥德斯密特大会上介绍了这些发现。“这是水,但并不像地球上经常见到的那样,”他解释道,“它们的表面温度预计为200到500摄氏度,它们的表面可能被一层主要由水蒸气组成的大气层覆盖,下方是液态水。”

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“再往下,我们可能会发现水转化成了高压的冰,然后才是固体岩石核心,”曾理博士补充道,“这个模型的优美之处在于,它解释了物质组成如何与这些行星的已知事实建立联系。”

如何计算出TRAPPIST-1的行星密度

1992年,科学家发现了环绕其他恒星运行的系外行星,并由此激发了天文学家了解这些行星的物质组成,并探索它们是否适合生命存在的热情。“我们的数据显示,已知体积大于地球的系外行星中,有35%的行星很可能富含水,”曾理博士说,“这些水世界形成的方式可能与我们在太阳系中发现的大型行星核心——木星、土星、天王星、海王星——十分相似。”

因为这些行星恰好排成一排,所以,当它们从恒星前面经过时,基于地球和太空的望远镜便可以探测到它的光线变化情况。科学家们可以通过过境法计算出行星的密度,行星的半径和星光变暗的量有关,然后再对所谓的“运输时间变化”加以利用。当然,由于TRAPPIST-1的行星紧密地组合在一起,所以研究人员需要稍微改变它们彼此“年”的时间。然后,通过轨道定时的变化,以用于估算行星的质量。最后,则将质量和半径用来计算该行星的密度。

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地球上的水只占地球总质量的0.02%

TRAPPIST-1的行星可能是什么样的

2018年4月18日发射的凌日系外行星巡天卫星未来将发现更多这样的系外行星,地面望远镜也将加入探索这些行星的行列。下一代的太空望远镜,如詹姆斯·韦伯空间望远镜,将很有可能帮助天文学家确定其中一些行星的大气层特征。这对系外行星的探索者来说将是非常振奋的时刻。

在太阳系中,虽然月球和火星的表面看上去截然不同,但它们却拥有相似的密度。虽然我们和TRAPPIST-1的行星相距很远,科学家们尚无法确切知道每个行星的外观。密度是行星组成的重要线索,但依然没有清楚地说明该行星地可居住性。当然,现在所拥有的研究结果会成为向前迈出的重要一步,科学家们将继续探索这些行星是否能够支持生命。根据现有数据来看,也有科学家关于这些行星外观的最佳推测,其中有一些比较有意思地点,比如,最接近恒星的行星并不是最密集的行星,而较冷的行星并没有拥有厚厚的气氛。

TESS任务的副科学主管、麻省理工学院的萨拉·西格教授说:“神秘的中等体积系外行星可能是富含水的水世界,这实在不可思议。或许未来的大气层——浓厚的水蒸气大气层——观测就将支持或否定这些新发现。”

TRAPPIST-1b是位于最里面的行星,它周围环绕的大气层比地球厚得多,还可能有一个岩石核心;而TRAPPIST-1c上的气氛相对行星b而言更薄,可能有一个岩石内部;在这些行星中,TRAPPIST-1d则是最轻的,约占地球质量的30%;TRAPPIST-1e是该系统中唯一比地球更密集的行星,虽然它不一定具有厚厚的大气层,海洋或冰层,却可能拥有比地球更密集的铁芯。就它的大小,密度,以及从恒星接收的辐射量而言,这是一个和地球最相似的行星
;而TRAPPIST-1f,g和h都远离主星,在它们的表面上,水可以被冻成冰,如果它们同时还具有稀薄的气氛,那么,它们将不太可能含有像二氧化碳这样的地球重分子。

火星上存在过液态水吗?

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火星上的液态水证据可以追溯到水手9号太空探测卫星,它在1971年抵达火星轨道。水手9号发现了火星表面河床和峡谷中的水侵蚀痕迹,以及锋面、雾等的气象事件的线索。

在TRAPPIST-1周围轨道上发现的七颗行星,它们都可以轻易地进入太阳系最内层行星水星的轨道。事实上,他们也有这样的空间,TRAPPIST-1不比木星大,也只是太阳质量的小部分。因此,从TRAPPIST-1系统的行星比例来看,这更像是木星及其卫星,而不是太阳系。TRAPPIST-1是位于水瓶座的一颗超酷的矮星,非常接近它的行星轨道,它的七个行星也都是地球左右大小的岩石行星。随着科学家对这些行星的了解越来越多,我们对TRAPPIST-1这个系统的理解也会随之变得更准确,这些行星的概念可能都会随着时间的推移而发生巨大变化。

继水手9号之后,海盗号轨道器揭示了洪水冲刷出深谷的证据,使我们对火星的水有了全新的了解。现在的火星正处于冰期之中,在这一研究之前,科学家认为液态水无法存在于火星表面。

2013年6月,好奇号火星车发现了液态水曾经在火星表面流动的有力证据。同年9月,好奇号首次对火星土壤进行了分析,发现了火星表层的微细物质中含有质量分数为2%的水。

2017年,科学家对火星上的水进行了最精确的估计,宣称该行星曾经拥有的液态水总量超过北冰洋,并且保留了这些水体超过15亿年。这些发现表明,火星具有足够生命出现和繁盛的时间。然而,过去37亿年中,火星失去了87%的水,成了一颗干旱、贫瘠的红色星球。

来源:新浪探索返回搜狐,查看更多

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