高能粒子和潮汐恐吓到这么些外星的生命存在,

作者: 产品评测  发布:2019-05-27

今年稍早的时候,NASA 发布了令人兴奋的 TRAPPIST-1 星系,在七颗行星当中,有三颗位在液态水能存在的区间。不过液态水只是类地生物存在的一个条件而已,随着科学家对 TRAPPIST-1 的理解加深,似乎类地生物存在的可能性又变得渺茫了。首先,是一篇在 International Journal of Astrobiology 期刊上发布的研究指出,由于 TRAPPIST-1 的母星是一颗比太阳小、而且冷得多的红矮星,因此其适居带要非常靠近母星才行。这导致了行星受到的紫外线照射要比地球强太多,不仅会摧毁大气层,而且对生物来说就像持续用杀菌光照着一样,对演化极为不利。据研究小组推断,在这样的 UV 照射下,生物演进的机会只有地球的 1% 而已。另一一篇发布在 The Astrophysical Journal Letters 上的研究,则是将重心放在 TRAPPIST-1 母星的太阳风上。地球有个强力的磁场保护着,将大部份的太阳风弹开,仅有少数会落在南北极,形成极光。但在 TRAPPIST-1 系统中,主星与行星间的距离小到磁场有可能是接续的,这表示太阳风中的粒子可以直直地从母星流向行星,剥离行星的大气层。同样的,没有大气层的保护,生物难有机会存活下来。「适居带」其实只考虑到了液态水这一个因素,这因素也足以排除绝大部份的行星系。但就算是在适居带中的行星,想要出现类地生物的话,需要符合的条件还是有很多的。这倒不是说 TRAPPIST-1 就绝对没有生物,但或许就不再是人类探索的第一目标了。

自2016年发现TRAPPIST-1以来,行星科学家一直对它感到兴奋。TRAPPIST-1是一个由7颗地球大小的岩石行星围绕一颗冷恒星运行的恒星系统。其中三颗行星位于宜居带,即液态水可以在行星表面流动的空间区域。但是亚利桑那大学月球和行星实验室科学家们的两项新研究可能会让天文学家重新定义TRAPPIST-1的可居住区域。这三颗位于宜居带行星的生命可能面临着强大威胁:从恒星喷射出的高能粒子。

自2016年发现TRAPPIST-1以来,行星科学家一直对它感到兴奋。TRAPPIST-1是一个由7颗地球大小的岩石行星围绕一颗冷恒星运行的恒星系统。其中三颗行星位于宜居带,即液态水可以在行星表面流动的空间区域。但是亚利桑那大学月球和行星实验室科学家们的两项新研究可能会让天文学家重新定义TRAPPIST-1的可居住区域。这三颗位于宜居带行星的生命可能面临着强大威胁:从恒星喷射出的高能粒子。

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博科园:费德里科·弗拉切蒂(Federico Fraschetti)和一组来自哈佛大学史密森天体物理中心(Harvard & Smithsonian)的科学家首次计算出这些粒子撞击行星的强度。与此同时,威胁和行星实验室的研究生哈米什·海(Hamish Hay)发现,TRAPPIST-1行星之间的引力拉力战正在使它们表面的潮汐上升,这可能推动了火山活动,或使原本寒冷得无法维持生命的行星上被冰覆盖的海洋升温,其研究成果发表在《天体物理学》上。

博科园:费德里科·弗拉切蒂(Federico Fraschetti)和一组来自哈佛大学史密森天体物理中心(Harvard & Smithsonian)的科学家首次计算出这些粒子撞击行星的强度。与此同时,威胁和行星实验室的研究生哈米什·海(Hamish Hay)发现,TRAPPIST-1行星之间的引力拉力战正在使它们表面的潮汐上升,这可能推动了火山活动,或使原本寒冷得无法维持生命的行星上被冰覆盖的海洋升温,其研究成果发表在《天体物理学》上。

质子的强力轰击

质子的强力轰击

该星系的恒星TRAPPIST-1A比太阳小,质量小,温度低于6000华氏度。它也非常活跃,这意味着它会释放出大量高能质子——与地球上产生极光的粒子相同。Fraschetti和团队模拟了这些高能粒子穿过恒星磁场的旅程,发现第四颗行星(TRAPPIST-1适居带内最深处的行星)可能正在经历一次质子的强力轰击。这些粒子在TRAPPIST-1系统中的通量可能是地球上粒子通量的100万倍。这让科学家们感到惊讶,尽管行星离恒星的距离比地球离太阳的距离要近得多。高能粒子沿着磁场穿过太空,TRAPPIST-1A的磁场紧紧围绕着恒星。

产品评测,该星系的恒星TRAPPIST-1A比太阳小,质量小,温度低于6000华氏度。它也非常活跃,这意味着它会释放出大量高能质子——与地球上产生极光的粒子相同。Fraschetti和团队模拟了这些高能粒子穿过恒星磁场的旅程,发现第四颗行星(TRAPPIST-1适居带内最深处的行星)可能正在经历一次质子的强力轰击。这些粒子在TRAPPIST-1系统中的通量可能是地球上粒子通量的100万倍。这让科学家们感到惊讶,尽管行星离恒星的距离比地球离太阳的距离要近得多。高能粒子沿着磁场穿过太空,TRAPPIST-1A的磁场紧紧围绕着恒星。

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图示TRAPPIST-1f行星表面永恒日出的印象概念图,如果这颗行星被潮汐锁住,那么将这颗行星的白天和黑夜分隔开的“终结者区域”可能是一个生命可能扎根的地方,即使白天和高能质子轰击在一起。在这张图片中,TRAPPIST-1e在左上方可以看到一个新月,d是中间的新月,c是星星旁边的一个亮点。图片:NASA/JPL-Caltech

图示TRAPPIST-1f行星表面永恒日出的印象概念图,如果这颗行星被潮汐锁住,那么将这颗行星的白天和黑夜分隔开的“终结者区域”可能是一个生命可能扎根的地方,即使白天和高能质子轰击在一起。在这张图片中,TRAPPIST-1e在左上方可以看到一个新月,d是中间的新月,c是星星旁边的一个亮点。图片:NASA/JPL-Caltech

你以为这些粒子会被困在这些紧密包裹的磁力线中,但如果你引入湍流,它们可以逃逸,垂直于平均恒星场。恒星表面的耀斑会引起磁场扰动,使质子离开恒星。粒子去向取决于恒星磁场与旋转轴的角度。在TRAPPIST-1系统中,这个磁场最可能的排列方式是将高能质子直接带到第四颗行星的表面,在那里可以分解构成生命所需的复杂分子——或者它们可以作为这些分子形成的催化剂。虽然地球磁场保护了地球上大部分行星免受太阳释放的高能质子伤害,但一个足以使TRAPPIST-1的质子发生偏转的磁场,其强度必须达到令人难以置信的程度——是地球磁场的数百倍。

你以为这些粒子会被困在这些紧密包裹的磁力线中,但如果你引入湍流,它们可以逃逸,垂直于平均恒星场。恒星表面的耀斑会引起磁场扰动,使质子离开恒星。粒子去向取决于恒星磁场与旋转轴的角度。在TRAPPIST-1系统中,这个磁场最可能的排列方式是将高能质子直接带到第四颗行星的表面,在那里可以分解构成生命所需的复杂分子——或者它们可以作为这些分子形成的催化剂。虽然地球磁场保护了地球上大部分行星免受太阳释放的高能质子伤害,但一个足以使TRAPPIST-1的质子发生偏转的磁场,其强度必须达到令人难以置信的程度——是地球磁场的数百倍。

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图示TRAPPIST-1行星的相对大小及其轨道,整个TRAPPIST-1系统可以在水星轨道上运行,有足够的空间。红带表示空间太热,液态水无法聚集的轨道,蓝带表示空间太冷,水无法形成液态水的轨道,绿带表示宜居带。图片:NASA/JPL-Caltech

图示TRAPPIST-1行星的相对大小及其轨道,整个TRAPPIST-1系统可以在水星轨道上运行,有足够的空间。红带表示空间太热,液态水无法聚集的轨道,蓝带表示空间太冷,水无法形成液态水的轨道,绿带表示宜居带。图片:NASA/JPL-Caltech

但在TRAPPIST-1系统中,这并不一定意味着生命的终结。TRAPPIST-1行星可能是潮汐锁定的,一方面,这意味着每颗行星的同一个半球总是面对恒星,而永恒的黑夜笼罩着另一个半球。美国联合航空天文学院的研究助理本杰明·拉克汉姆说:也许夜晚的那一面仍然足够温暖,适合生命活动,不会受到辐射的轰击。海洋还可以屏蔽破坏性的高能质子,因为深水可以在粒子撕裂生命的基石之前吸收它们。潮汐在这些海洋,甚至在行星的岩石中升起,可能对生命有其他有趣的暗示。

但在TRAPPIST-1系统中,这并不一定意味着生命的终结。TRAPPIST-1行星可能是潮汐锁定的,一方面,这意味着每颗行星的同一个半球总是面对恒星,而永恒的黑夜笼罩着另一个半球。美国联合航空天文学院的研究助理本杰明·拉克汉姆说:也许夜晚的那一面仍然足够温暖,适合生命活动,不会受到辐射的轰击。海洋还可以屏蔽破坏性的高能质子,因为深水可以在粒子撕裂生命的基石之前吸收它们。潮汐在这些海洋,甚至在行星的岩石中升起,可能对生命有其他有趣的暗示。

牵引的潮汐

牵引的潮汐

在地球上,月球不仅在海洋中引起潮汐——潮汐力还使地球的地幔和地壳的球形变形。在TRAPPIST-1系统中,行星之间的距离足够近,以至于科学家们推测,就像月球对地球所做的那样,行星之间的距离可能会引发潮汐,当一颗行星或月球因潮汐而变形时,其内部的摩擦会产生热量。海通过计算TRAPPIST-1行星的引力如何相互牵引和变形,探索潮汐给系统带来了多少热量。TRAPPIST-1是唯一一个已知的系统,在这个系统中,行星之间可以产生显着的潮汐,因为行星之间紧密地围绕着它们的恒星。

在地球上,月球不仅在海洋中引起潮汐——潮汐力还使地球的地幔和地壳的球形变形。在TRAPPIST-1系统中,行星之间的距离足够近,以至于科学家们推测,就像月球对地球所做的那样,行星之间的距离可能会引发潮汐,当一颗行星或月球因潮汐而变形时,其内部的摩擦会产生热量。海通过计算TRAPPIST-1行星的引力如何相互牵引和变形,探索潮汐给系统带来了多少热量。TRAPPIST-1是唯一一个已知的系统,在这个系统中,行星之间可以产生显著的潮汐,因为行星之间紧密地围绕着它们的恒星。

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图示从TRAPPIST-1f附近观察TRAPPIST-1系统概念图,该系统位于宝瓶座,距离地球不到40光年。图片:NASA/JPL-Caltech

图示从TRAPPIST-1f附近观察TRAPPIST-1系统概念图,该系统位于宝瓶座,距离地球不到40光年。图片:NASA/JPL-Caltech

这是一个如此独特的过程,以前没有人仔细考虑过。令人惊讶的是,它竟然发生了,在过去,科学家们只考虑过恒星引起的潮汐。发现星系内部的两颗行星靠得足够近,彼此之间产生了强大的潮汐。随后的潮汐加热可能足够强大,足以为火山活动提供燃料,而火山活动反过来又能维持大气。尽管TRAPPIST-1最深处的行星白天可能太热而无法维持生命,但火山喷发的大气层可能会将一些热量转移到它们原本太冷的夜晚,使其足够暖和,使生物不至于结冰。这个系统中的第六颗行星,被称为TRAPPIST-1g,正在经历恒星和其他行星的潮汐牵引。

这是一个如此独特的过程,以前没有人仔细考虑过。令人惊讶的是,它竟然发生了,在过去,科学家们只考虑过恒星引起的潮汐。发现星系内部的两颗行星靠得足够近,彼此之间产生了强大的潮汐。随后的潮汐加热可能足够强大,足以为火山活动提供燃料,而火山活动反过来又能维持大气。尽管TRAPPIST-1最深处的行星白天可能太热而无法维持生命,但火山喷发的大气层可能会将一些热量转移到它们原本太冷的夜晚,使其足够暖和,使生物不至于结冰。这个系统中的第六颗行星,被称为TRAPPIST-1g,正在经历恒星和其他行星的潮汐牵引。

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在这个星系中,它是唯一一颗由于其他行星引起的潮汐加热和中心恒星引起潮汐加热一样强烈的行星。如果TRAPPIST-1g是一个海洋世界,就像我们太阳系中的木卫二或土卫二一样,潮汐加热可以使它的海水保持温暖。像TRAPPIST-1这样的m -矮星系统为天文学家提供了寻找太阳系外生命的最佳机会,而Fraschetti和Hay的研究可能有助于科学家选择未来如何探索该系统。需要真正了解这些系统是否适合生命,高能粒子通量和潮汐加热是限制我们探索的重要因素。

在这个星系中,它是唯一一颗由于其他行星引起的潮汐加热和中心恒星引起潮汐加热一样强烈的行星。如果TRAPPIST-1g是一个海洋世界,就像我们太阳系中的木卫二或土卫二一样,潮汐加热可以使它的海水保持温暖。像TRAPPIST-1这样的m -矮星系统为天文学家提供了寻找太阳系外生命的最佳机会,而Fraschetti和Hay的研究可能有助于科学家选择未来如何探索该系统。需要真正了解这些系统是否适合生命,高能粒子通量和潮汐加热是限制我们探索的重要因素。

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博科园-科学科普|研究/来自: 亚利桑那大学

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参考期刊文献:《天体物理学》

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DOI: 10.3847/1538-4357/ab0c21

博科园-传递宇宙科学之美

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