世界实时：哈佛大学最新研究：小型行星上的大气演化过程

在圣埃克苏佩里的经典中篇小说《小王子》中，小王子居住在一颗只有房子大小的微小行星之上。在这颗小小星球上，他在一天中的任何时候，只要稍微的移动椅子就能看见日落。

小王子的故乡。图片来源：Wikimedia commons

【资料图】

当然，在现实生活中，如此小的天体是无法支撑生命的，因为它们没有足够的引力来维持大气层。但单从宜居性的角度来看，多小才算是太小了呢？

在一篇新论文中，哈佛大学的研究人员描述了一种可以长时间维持表面液态水存在的新的、更小的行星尺寸限制，从而扩大了引力低微的小型行星的宜居带范围。这项研究扩大了在宇宙中搜索生命的范围，并揭示了小型行星上重要的大气演化过程。

论文的第一作者Constantin Arnscheidt说：“当人们在考虑宜居带的内外边缘时，他们倾向于只从空间上考虑，也就是考虑这颗行星离恒星有多近。但实际上，影响宜居性的还有很多其他变量，例如质量。而以行星的大小来为宜居性设定一个更低的界限，可以为正在进行的寻找宜居的系外行星和系外卫星工作带来重要的限制。”

一般来说，如果一个行星表面上的液态水能够维持足够长的时间（保守地说大约10亿年），从而使生命得以进化，那么这颗行星就可以被认为是宜居的。天文学家会在特定类型恒星的特定距离范围内寻找这些宜居行星，这种特定类型的恒星比我们的太阳更小、更冷、质量更低，它们所拥有的宜居带比那些更大、更热的恒星更近。

一颗恒星的宜居带的内缘是由一颗行星可以离这颗恒星的最近距离决定的，在这个距离上，这颗行星上的地表水不会因为温室效应而全部蒸发。但是，正如Arnscheidt等人所示的那样，这个定义并不适用于小的、低引力的行星。

当一颗行星的大气所吸收的热量多于它可以辐射回太空的热量时，就会阻止这颗行星降温，从而导致失控的温室效应发生。这最终会导致无法阻挡的变暖，直到它的海洋也变成了大气中的蒸汽。

然而，当行星变小时，一些重要的事情发生了：随着行星变暖，大气层会向外膨胀，相对于行星的大小变得越来越大。这些大的大气层增加了热量的吸收与辐射，使星球能更好地维持在一个稳定的温度上。研究人员发现，大气膨胀可以防止低引力行星出现失控的温室效应现象，使它们在离恒星更近的轨道运行时仍能维持星球表面的液态水。

然而当行星变得太小时，它们就完全失去大气层，使得星球上的液态水要么冻结要么蒸发。研究人员发现对于行星来说，存在一个适合居住的临界尺寸，小于这个临界尺寸的行星就永远不可能宜居，这意味着宜居带不仅在空间上存在边界，而且在行星的大小上也存在边界。

他们发现在太阳系中，这个临界大小约为地球质量的2.7%。如果一个天体的质量小于地球的2.7%，那么它的大气层会在它还没有机会形成表面液态水的时候就已经失控了，就像现在太阳系中的彗星一样。以这个标准拿来看，月球的质量为地球质量的1.2%，水星为地球质量的5.53%。

○ 这张图显示了以行星质量来说的宜居性下限。如果一个天体的质量小于地球的2.7%，那么它的大气层将在它可以形成表面液态水之前逃逸。| 图片来源：Harvard SEAS

研究人员还能够估算出绕某些特定恒星旋转的小型行星的宜居带。他们对两种不同类型的恒星进行了两种场景建模：一种是G-型星，例如我们的太阳就是；另一种是M-型星，比如以狮子座的一颗红矮星为模型。

除此之外，研究人员还解开了存在于我们太阳系中的另一个长期谜团。一直以来，天文学家都想知道如果太阳辐射增加，木星的那些冰质卫星木卫二（Europa）、木卫三（Ganymede）和木卫四（Callisto）是否适合居住。根据这项新的研究，我们确认了这些卫星都太小了，即使它们离太阳更近，也无法维持表面的液态水。

这项研究的资深作者Robin Wordsworth说：“在寻找生命的过程中，低质量的水世界是一种令人向往的可能性。这篇论文表明，与类地行星相比，它们的行为可能会有多不同。一旦可以对这类天体进行观测，那么在这些天体上直接验证我们的预测将会是极度令人兴奋的事。”

原文标题为“ A goldilocks zone for planet size”，首发于2019年9月10日，中文内容仅供参考，一切内容以原文为准。

来源：原理

编辑：小林绿子