哈佛大學：小於地球質量2.7%的行星，永遠不可能適合居住！

2020-10-18 博科園

在安託萬·德·聖-埃克蘇佩裡經典中篇小說《小王子》(The Little Prince)中，這位名義上的王子生活在一顆房子大小的小行星上，如此之小，只要把椅子挪幾步，他就可以在一天中的任何時間觀看日落。當然，在現實生活中，微小的天體不能支持生命，因為它們沒有足夠的引力來維持大氣。但多小才算太小，不適合居住呢？在最新的一篇研究論文中，哈佛大學研究人員描述了一種新的、更低宜居行星大小的標準限制。以便長時間保持地表液態水，將所謂的宜居區或「金髮地帶」延伸到小型低引力行星。

這項研究擴大了宇宙中生命的搜索範圍，並揭示了小行星上大氣演化的重要過程，其研究發表在《天體物理學》期刊上。第一作者Constantin Arnscheidt『18說：當人們想到宜居區的內外邊緣時，傾向於只在空間上考慮它，這意味著行星離恆星有多近。但實際上，還有許多其他變量影響宜居性，包括質量。根據行星大小設定宜居下限，這給我們持續尋找適合居住的系外行星和外星生命帶來了一個重要的限制。一般而言，如果行星能夠保持表面液態水（而不是冰凍水）足夠長的時間來讓生命誕生和進化。

保守地說大約需要10億年左右，行星就被認為是適宜居住的。天文學家在特定類型恆星的特定距離內尋找這些適合居住的行星，比太陽更小、更冷、質量更低的恆星，其宜居區比更大、更熱的恆星要小得多。宜居區的內緣是由一顆行星在失控的溫室效應導致所有地表水蒸發之前離恆星有多近來定義的。但是，正如Arnscheidt和他的同事所證明的那樣，這個定義不適用於小的，低重力的行星。失控的溫室效應發生時，大氣吸收了更多熱量，這些熱量可以輻射回太空，阻止地球冷卻，最終導致不可阻擋的變暖，最終使海洋變成蒸汽。

然而，當行星變小時，會發生一些重要的事情：當它們變暖時，大氣層向外擴展，相對於行星的大小變得越來越大。這些大的行星大氣層增加了熱吸收和輻射，使行星能夠更好地保持穩定溫度。研究人員發現，大氣膨脹可以防止低引力行星經歷失控的溫室效應，使它們能夠在靠近恆星的軌道上保持表面液態水。然而，當行星變得太小時，它們會完全失去大氣層，液態的地表水要麼凍結要麼蒸發。研究證明，存在一個臨界尺寸，低於該臨界尺寸的行星永遠不可能適合居住。

這意味著可居住區域不僅在空間上是有界限的，而且在行星大小上也是有界限的。研究發現，臨界大小約為地球質量的2.7%，如果一個行星的質量小於地球質量的2.7%，它的大氣層就會在它還沒有機會形成表面液態水之前逃逸，就像今天的彗星一樣。與此相關的是，月球為地球質量的1.2%，水星為5.53%，研究人員還能夠估計這些圍繞某些恆星的小行星宜居區。為兩種不同類型的恆星建立了兩個場景：像太陽一樣的G型恆星和獅子座紅矮星的M型恆星，研究人員解決了太陽系中另一個長期存在的謎團。

天文學家長期以來一直想知道，如果太陽輻射增加，木星的冰冷衛星木衛二、木衛三和木衛四是否適合居住。根據這項研究，這些衛星太小，無法維持表面液態水，即使它們離太陽更近。海洋環境科學和工程副教授、該研究的資深作者羅賓·華茲華斯(Robin Wordsworth)說：在尋找生命的過程中，低質量的水世界是一個令人著迷的可能性，研究表明，與類地行星相比，它們的行為可能會有多大的不同。一旦對這類天體的觀察成為可能，嘗試直接測試這些預測將是令人興奮的。

博科園｜研究/來自：哈佛大學

參考期刊《天體物理學》

DOI: 10.3847/1538-4357/ab2bf2

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