在安东尼·德·圣埃克苏佩里(Antoine de saint – exu佩里)的经典中篇小说《小王子》(The Little Prince)中，名义上的小王子住在一颗房子大小的小行星上，这颗小行星非常小，他可以在一天中的任何时候，把椅子移动几步就能看到日落。
当然，在现实生活中，这么小的天体无法支持生命，因为它们没有足够的重力来维持大气层。但是对于宜居性来说，小到什么程度就太小了呢?
在最近的一篇论文中，哈佛大学(Harvard University)的研究人员描述了一种新的、更小的尺寸限制，即行星可以长时间保持表面液态水，从而扩大了所谓的“适居带”，即小而低重力行星的“适居带”。这项研究扩大了宇宙中生命的搜索范围，并阐明了小行星大气演化的重要过程。
这项研究发表在《天体物理学杂志》上。
“当人们考虑宜居带的内外边缘时，他们倾向于只从空间上考虑，这意味着这颗行星离恒星有多近，”论文的第一作者康斯坦丁·阿恩沙伊特(Constantin Arnscheidt ‘ 18)说。“但实际上，可居住性还有很多其他变量，包括质量。就行星大小而言，为宜居性设定一个较低的界限，给我们正在进行的寻找宜居系外行星和外行星的工作带来了一个重要的限制。”
一般来说，行星被认为是宜居的，如果它们能够维持表面液态水(而不是冷冻水)足够长的时间，使生命能够进化，保守地说，大约10亿年。天文学家在特定类型恒星的特定距离内寻找这些可居住的行星——比我们的太阳更小、更冷、质量更低的恒星比更大、更热的恒星有一个更近的可居住带。
宜居带的内边缘是由一颗行星在失控的温室效应导致所有地表水蒸发之前与恒星的距离决定的。但是，正如Arnscheidt和他的同事所证明的，这个定义不适用于小的、低重力的行星。
失控的温室效应发生在大气吸收更多的热量，这些热量可以辐射回太空，阻止地球降温，最终导致不可阻挡的变暖，最终使海洋变成蒸汽。
然而，当行星变小时，一些重要的事情发生了:当它们变暖时，它们的大气层向外膨胀，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和辐射，使地球能够更好地保持稳定的温度。研究人员发现，大气膨胀可以防止低重力行星发生失控的温室效应，使它们在离恒星更近的轨道运行时保持表面液态水。
然而，当行星变得太小时，它们就完全失去了大气层，液态水要么冻结要么蒸发。研究人员证明，存在一个临界尺寸，在这个临界尺寸之下，一颗行星永远不可能适宜居住，这意味着宜居带不仅在空间上有边界，而且在行星大小上也有边界。
研究人员发现，临界大小约为地球质量的2.7%。如果一个物体的质量小于地球的2.7%，它的大气层就会在它有机会形成表面液态水之前逃逸，就像今天的彗星一样。具体来说，月球占地球质量的1.2%，水星占5.53%。
研究人员还能够估计出这些围绕某些恒星的小行星的宜居带。对两种不同类型的恒星进行了两种场景的建模:一种是g型恒星，就像我们的太阳;另一种是m型恒星，以狮子座的一颗红矮星为模型。
研究人员解开了我们太阳系中另一个长期存在的谜团。长期以来，天文学家一直想知道，如果太阳辐射增加，木星的冰卫星木卫二(Europa)、木卫三(Ganymede)和木卫四(Callisto)是否适合居住。根据这项研究，这些卫星太小，即使离太阳更近，也无法维持表面的液态水。
海洋环境科学与工程副教授、该研究的资深作者罗宾·华兹华斯说:“低质量的水世界是寻找生命的一种令人着迷的可能性，这篇论文展示了它们的行为与类地行星相比有多么不同。”“一旦这类物体的观测成为可能，尝试直接测试这些预测将是令人兴奋的。”
本文由哈佛大学约翰•a•保尔森工程与应用科学学院(Harvard John a . Paulson School of Engineering and Applied Sciences)和艺术与科学研究生院(Graduate School of Arts and Sciences)博士后研究员冯丁共同撰写。
这项工作得到了美国宇航局“宜居世界”赠款NNX16AR86G的支持。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/09/sizing-up-a-planets-habitability/