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有海洋的星球在银河系中很常见吗？美国宇航局科学家的答案是很有可能

几年前，行星科学家利奈尔·奎克着手探索4,000多颗已知的系外行星或太阳系以外的行星中是否有一颗可能类似于木星和土星周围的一些含水卫星。尽管其中一些卫星没有大气层并且被冰层覆盖，但它们仍然是美国宇航局寻找地外生命的首要目标。被科学家归类为“海洋世界”的土卫二和木卫二欧罗巴，就是很好的例子。

图解：土卫二发现了液体的水。图源：baidu

“从水柱从木卫二和土卫二喷发的现象，我们可以看出这些天体的冰壳下面存在地下海洋，并且具有驱动水柱的能量，这是我们知道的存在生命所必不可少的两个条件”，美国宇航局行星科学家奎克说道，多年以来她专门研究火山活动和海洋世界。“因此，如果我们认为这些地方可能适合居住，那么其他行星系统中更大版本的星球可能也适合。”

图解：卡西尼号近距离靠近土卫二拍摄到的羽状物质。图源：baidu

很快，位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的奎克决定探索银河系中是否存在类似于木卫二和土卫二的行星。而且，它们的地质活动是否也足够活跃，可以通过它们表面喷射的羽流，有朝一日可以被望远镜观测到。

通过对几十颗系外行星（包括TRAPPIST-1系统附近的行星）的数学分析，奎克和她的同事们了解到一些重要的事情：他们研究的系外行星中有超过四分之一可能是海洋世界，其中大多数可能在地表冰层下拥有海洋，类似于欧罗巴和土卫二。此外，许多这些行星中还可能比木卫二和土卫二释放出更多的能量。

有朝一日，科学家可能会通过测量系外行星发出的热量，或通过检测行星火山或低温火山（液体或蒸汽而不是熔岩）喷发到大气中分子发出的光波长的来验证奎克的预测。目前，科学家们无法详细的看到那些系外行星。唉，他们太过遥远，以至于被星星的光芒所淹没。但是通过考虑唯一可用的信息——系外行星的大小、质量和与恒星间的距离——像奎克和她的同事这样的科学家可以利用数学模型和我们对太阳系的理解，试图想象将系外行星塑造成可能为宜居的世界。

虽然这些数学模型中的假设还只是有根据的猜测，但它们可以帮助科学家缩小有希望的系外行星名单，以寻找有利于生命的条件，以便NASA即将进行的詹姆斯韦伯太空望远镜或其他太空任务可以跟进。

“未来寻找太阳系以外生命迹象的任务将集中在像我们这样拥有丰富全球生物圈的行星上，它正在改变整个大气层的化学成分”，与奎克合作的NASA天体物理学家阿基·劳勃其说道，“但在太阳系中，远离太阳热量的带有海洋的冰冷卫星仍然表明它们具有我们认为生命所需的特征。”

为了寻找可能的海洋世界，奎克的团队选择了53颗大小与地球最相似的系外行星，尽管它们的质量可能是地球的八倍。科学家们假设这种大小的行星比气态更固态，因此更有可能在其表面或下方存在液态水。自从奎克和她的同事于2017年开始研究以来，发现了至少30多颗符合这些参数的行星，但它们并未包含在于6月18日发表在《太平洋天文学会出版物》杂志上的分析中。

确定了地球大小的行星后，奎克和她的团队试图确定每个行星可以产生和释放多少以热量为形式的能量。该团队考虑了两个主要的热源。第一种是放射性热量，它是行星在数十亿年的时间里由地幔和地壳中的放射性物质的缓慢衰变产生的。这种衰变率取决于行星的年龄和地幔的质量。其他科学家已经确定了类地行星的这些关系。因此，奎克和她的团队将衰减率应用于他们的53颗行星列表，假设每颗行星都与其恒星年龄相同，并且其地幔与地球的地幔所占行星体积的比例相同。

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接下来，研究人员计算了其他东西产生的热量：潮汐力，这是当一个物体绕另一个物体运行时由引力牵引产生的能量。行星在伸展的或椭圆形的轨道上运行时会改变它们与恒星之间的距离。这导致两个物体之间的引力发生变化，并导致行星拉伸，从而产生热量。最终结果是，热量通过表面散失到太空。

热量的一种排出途径是通过火山或低温火山。另一条路线是通过构造，这是一个地质过程，负责行星或卫星最外层岩石或冰层的运动。无论热量以何种方式排出，了解一颗行星向外排出多少热量都很重要，因为它可能决定宜居性，也可能破坏宜居性。

图解：木卫二上可以看到高达200千米的壮观喷泉。图源：baidu

例如，过多的火山活动会将宜居的世界变成充满熔岩的噩梦。但是太少的活动会阻止构成大气的气体的释放，从而留下寒冷、贫瘠的表面。恰到好处的释放构成像地球这样宜居的潮湿行星，或像木卫二这样可能宜居的卫星。

在接下来的十年中，美国宇航局的木卫二快船将探索其地表和地下，并提供有关地表以下环境的资料。科学家对木卫二和太阳系其他可能宜居的卫星了解得越多，他们就越能更好地了解其他恒星周围的类似世界——根据今天的发现，这些星球可能很多。

“即将到来的任务将使我们有机会看到太阳系中的海洋卫星是否可以支持生命的存在”，奎克说，她也是本次快船任务和土星卫星泰坦蜻蜓任务的科学团队成员。“如果我们发现化学物质生命的迹象，我们可以尝试在星际距离寻找类似的迹象。”

当韦伯发射时，科学家们将尝试检测TRAPPIST-1系统中一些行星大气中的化学特征，该系统距离水瓶座39光年。2017年，天文学家宣布该系统有七颗地球大小的行星。有些人认为这些行星中的一些可能是水的，奎克的预估支持了这个想法。根据她的团队的计算，TRAPPIST-1系统中的e、f、g和h四颗行星可能是充满海洋的世界，这将使它们成为科学家在这项研究中所确定的14个海洋世界之一。

研究人员通过计量每个系外行星的表面温度，对这些系外行星有海洋进行预测。这些信息是通过每颗行星反射到太空的恒星辐射量来揭示的。奎克的团队还考虑了每颗行星的密度以及与地球相比它内部产生的热量估计量。

“如果我们看到一颗行星的密度低于地球，这表明那里可能有更多的水，而不是岩石和铁”，奎克说。如果这颗星球的温度允许存在液态水，那么你就有了一个海洋世界。

“但如果一颗行星的表面温度低于32华氏度（0摄氏度），水就会结冰，”奎克说，“那么我们就有了一个冰冷的海洋世界，这些行星的密度甚至更低。”

与奎克和劳勃其一起参与这项分析的其他科学家是来自亚利桑那州图森行星科学研究所的艾米·芭儿·米莉娜和来自莫斯科爱达荷大学的马休·M·哈德曼。

by: Lonnie Shekhtman

FY: 超野的糖

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