“我们是孤独的吗?“研究完善了哪些系外行星可能适合居住

为了在外层空间寻找生命，天文学家首先需要知道去哪里寻找。美国西北大学的一项新研究将帮助天文学家缩小搜索范围。

该研究小组是第一个将三维气候模型与大气化学相结合来探索M矮星周围行星的可居住性的研究小组，M矮星占银河系总人口的70%。利用这一工具，研究人员通过考虑恒星辐射和行星自转速度，重新定义了使行星适宜居住的条件。

西北大学的研究小组与科罗拉多大学博尔德分校、美国国家航空航天局虚拟行星实验室和麻省理工学院的研究人员合作，在他们的发现中发现，只有围绕活动恒星运行的行星——那些释放大量紫外线辐射的行星——会因为蒸发而失去大量水分。在不活跃或安静的恒星周围的行星更有可能维持维持生命的液态水。

丹尼尔·霍顿

研究人员还发现，臭氧层较薄的行星表面温度适宜居住，但紫外线剂量达到危险水平，对复杂的表面生命构成威胁。

“在人类历史的大部分时间里，生命是否存在于其他地方的问题只属于哲学范畴，”西北大学的Howard Chen说，他是这项研究的第一作者。“只是在最近几年，我们才有了建模工具和观测技术来解决这个问题。”

该研究的资深作者丹尼尔·霍顿(Daniel Horton)补充说:“尽管如此，还有很多恒星和行星，这意味着有很多目标。”“我们的研究可以帮助限制望远镜的使用范围。”

这项研究将发表在11月14日的《天体物理学杂志》上。(点击此处阅读预印本)

霍顿是西北大学温伯格文理学院地球与行星科学的助理教授。陈是西北大学气候变化研究小组的博士生，也是美国宇航局未来的研究员。

“适居带”

为了维持复杂的生命，行星需要能够维持液态水。如果一颗行星离它的恒星太近，水就会完全蒸发。如果一颗行星离它的恒星太远，那么水就会结冰，温室效应就无法使它的表面保持足够的温度来维持生命。这个宜居带被称为“环恒星宜居带”，这是宾夕法尼亚州立大学的詹姆斯·卡斯汀教授创造的一个术语。

研究人员一直在研究行星与液态水之间的距离有多近。换句话说，他们正在寻找宜居带的“内缘”。

“我们太阳系的内缘在金星和地球之间，”陈解释说。“金星不适合居住;地球。”

霍顿和陈正在太阳系之外寻找M矮星星系中的宜居带。因为它们数量众多，而且更容易找到和研究，M矮行星已经成为寻找宜居行星的领跑者。它们的名字来源于它们围绕的小而冷而暗的恒星，被称为M矮星或“红矮星”。

至关重要的化学

其他研究人员利用一维和三维全球气候模型描述了M颗矮行星的大气特征。这些模型在地球上也被用来更好地了解气候和气候变化。然而，之前对岩质系外行星的3D研究忽略了一些重要的东西:化学。

通过将三维气候模型与光化学和大气化学相结合，Horton和Chen构建了一幅更完整的恒星紫外线辐射如何与行星大气中的气体(包括水蒸气和臭氧)相互作用的图像。

在他们的模拟中，霍顿和陈发现恒星的辐射是决定一颗行星是否适合居住的一个因素。具体来说，他们发现围绕活动恒星运行的行星很容易由于蒸发而失去大量的水。这与之前使用没有活性光化学的气候模型的研究形成了鲜明的对比。

“我们是孤独的吗?这是一个最大的悬而未决的问题。如果我们能够预测哪些行星最有可能存在生命，那么我们就有可能在有生之年找到答案。美国宇航局未来研究员霍华德·陈说

研究小组还发现，由于周围的臭氧层很薄，许多位于宜居带的行星无法维持生命。尽管这些行星表面温度适宜居住，但它们的臭氧层允许过多的紫外线辐射穿过并穿透到地面。辐射水平对地表生命是有害的。

陈说:“3D光化学起着巨大的作用，因为它提供加热或冷却，这可能影响热力学，也可能影响行星系统的大气成分。”“这类模型在研究岩质行星的系外行星文献中从未真正使用过，因为它们的计算成本非常高。”其他研究更大行星的光化学模型，如气态巨行星和热木星，已经表明在研究气候时不能忽视化学。”

Horton说:“这些模型也很难适应，因为它们最初是为地球环境设计的。”“在修改边界条件的同时，仍能让模型成功运行，一直是一个挑战。”

“我们是孤独的吗?”

霍顿和陈相信，这些信息将有助于观测天文学家在其他地方寻找生命。像哈勃太空望远镜和詹姆斯韦伯太空望远镜这样的仪器，有能力探测到系外行星上的水蒸气和臭氧。他们只需要知道去哪里找。

“我们是孤独的吗?这是一个最大的悬而未决的问题。“如果我们能够预测哪些行星最有可能存在生命，那么我们就有可能在有生之年找到答案。”

霍顿和陈都是CIERA(天体物理学跨学科和探索性研究中心)的成员。

这项研究得到了美国国家航空航天局地球与空间科学与技术研究生研究奖(80NSSC19K1523)和美国国家航空航天局可居住世界奖(80NSSC17K0257)未来研究人员的支持。计算工作在西北大学的追求高性能计算设施完成。

主题:研究、空间、技术、温伯格文理学院