寻找外星生命的新途径

想得开居士 09月08日

1992年1月,射电天文学家Aleksander WolszczanDale Frail宣布,他们在脉冲星PSR 1257+12的周围发现了两颗环绕运行的行星。这是人类首次在太阳系之外发现行星

三年多后,到了1995年10月,天文学家Michel MayorDidier Queloz首次发现了一颗围绕着银河系中一颗类日恒星运行的系外行星51 Pegasi b。两位天文学家也因此获得了诺贝尔物理学奖。

自此之后的近30年里,我们已经在太阳系外发现了数千颗系外行星。在系外行星的搜索中,寻找来自其他世界的生命迹象自然是其中的重头戏。对此,天文学家主要关注的是那些和地球大小、质量、温度和大气成分相似的行星,也就是所谓的类地行星。这是个非常合理的起点,毕竟地球是我们目前唯一知道的存在生命的星球。

然而,在近日发表的一项新研究中,来自剑桥大学的天文学家认为,其实还有更多充满希望的可能,而我们不应该忽视它们。研究发现了一类新的宜居行星,它们被称为“氢海”(Hycean)行星,顾名思义,也就是那些具有富氢的大气,且被海洋覆盖的行星。

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 氢海行星的艺术家畅想图。|图片来源:Amanda Smith/University of Cambridge

这类行星看起来和我们的自己这颗星球非常不同,但研究认为,它们有条件支持生命的存在,更重要是的,这类行星的数量和可观测性均高于类地行星。这将大大加速我们对太阳系之外的生命的搜索。一些乐观的研究人员认为,这一结果或许表明,在不久的将来找到太阳系外生命的生物信号成了一种切实的可能。

在已知的数千颗系外行星中,绝大多数行星的大小在地球和海王星之间,它们通常被称为超级地球或者超小海王星,主要是大气富含氢的岩质行星或者冰质巨行星,或者介于两者之间的行星。

大多数超小海王星的大小超过了地球的1.6倍,它们比海王星更小,但还是太大了,无法像地球这样拥有岩质的内部结构。早期对这类行星的研究认为,它们富含氢的大气之下的压力和温度过高,无法支持生命的存在。

Nikku Madhusudhan博士领导的团队最近对超小海王星K2-18b的研究发现,在某些条件下,这些行星仍然有机会支持生命的存在。

这一发现让团队对相关行星和恒星性质进行了更全面的详细调查,从而希望寻找一些可能的行星条件,以及哪些已知的系外行星可能满足这些条件,还有它们的生物信号是否有机会被观测到。

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 系外行星K2-18b的艺术家印象图。| 图片来源:ESA/Hubble, M. Kornmesser

正是这项调查让研究人员注意到了氢海行星。它们通常比地球更大,也更炎热,可能是地球大小的2.6倍,其大气温度或许高达近200摄氏度,具体则取决于它们的宿主星。

尽管和地球看似不同,但氢海行星仍然具有容纳大型海洋的特征,在富含氢的大气之下,存在着行星尺度的巨大海洋。这类海洋或许可以支持某些微生物生命的生存,它们或许类似于地球上一些最极端的水生环境中发现的微生物生命

这类行星还包括了潮汐锁定的暗氢海行星,它们可能只有在永久的背阴面具有宜居条件,以及只能接收到来自恒星的少量辐射的冷氢海行星

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里。也就是说,即使是位于类地行星所需的宜居带的范围之外,仍然有机会找到支持生命存在的行星。这也改写了我们通常对“宜居带”的认识。

总的来说,天文学家相信,氢海行星可能相当普遍,这意味着在银河系其他地方寻找生命的最有希望的地方,或许就一直隐藏在视线中。

当天文学家试图确定很多光年之外的行星的状况时,他们通常会寻找分子特征,从而推断该行星的大气和内部结构,这些结构影响着行星的表面状况、海洋的存在和生命的潜力。

天文学家也会寻找某些特定的生物信号,它们暗示着生命存在的可能性。最常见的生物信号包括氧气、臭氧、甲烷和一氧化二氮,它们也都存在于地球上。

还有一些其他生物标记物,比如氯甲烷和二甲基硫化物,它们在地球上的含量较低,但在氧气或臭氧没那么丰富的富氢大气的行星上,这些化合物或许能成为潜在的生命指标。

Madhusudhan表示,氢海行星为人类在其他地方寻找生命开辟了一条全新的途径,它们或许提供了更好的机会来发现一些微量的生物信号。他们发现,氢海行星的大气中可能存在一些微量的生物标记物,在不久的将来,这些标记物或许很容易通过光谱观测被发现。

氢海行星更大的尺寸、更高的温度和富含氢的大气,也使得它们的大气特征比类地行星更容易探测。

类似氢海行星这样大小的行星在已知的系外行星中占了大多数,但对它们的研究还没有像超级地球那般详细。

当然,仅仅依靠大小还不足以确认一颗行星的具体情况,还需要从质量、温度和大气性质等其他方面进行更详细研究。

目前,研究团队确定了一个相当大的潜在的氢海行星样本,这些样本可以成为下一代望远镜详细研究的主要候选对象,比如一拖再拖的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)这些行星都围绕着距离我们35-150光年的红矮星运行,以天文标准来说,它们非常“近”了

科学家认为,在搜索外星生命时,我们需要保持一种开放的态度,因为自然总是以超乎想象的方式给我们带来惊喜。

来源:中科院高能所

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