团队发现年轻的系外行星在寻找其他地球时是更好的候选者

一项由 SwRI 领导的研究表明,主星年龄和放射性核素丰度将有助于确定系外行星的历史及其目前处于温带状态的可能性。 为了 example,红矮星 TRAPPIST-1 是迄今为止在单个恒星系统中发现的最大的大致地球大小的行星群的所在地,其中有七个岩石兄弟姐妹,其中四个在宜居带。 但是在大约 80 亿年的历史中,这些世界比这项研究预测的最乐观的脱气寿命大约早了 20 亿年,并且不太可能支持今天的温带气候。 图片来源:NASA/JPL-Caltech

随着科学界寻找围绕附近恒星运行的可能蕴藏生命的世界,西南研究所领导的新研究表明,年轻的岩石系外行星更有可能支持温带、类地气候。

过去,科学家们专注于位于恒星宜居带内的行星,那里的液态地表水既不太热也不太冷。 然而,即使在这个所谓的“金发姑娘区”内,行星仍然可以发展出不适合生命生存的气候。 维持温带气候还需要行星有足够的热量来为行星规模的碳循环提供动力。 这种能量的一个关键来源是铀、钍和钾的放射性同位素的衰变。 这个关键的热源可以为岩石系外行星的地幔对流提供动力,这是行星核心和地壳之间区域的缓慢蠕动运动,最终在地表融化。 地表火山脱气是大气中二氧化碳的主要来源,有助于保持地球温暖。 如果没有地幔脱气,行星就不太可能支持像地球这样的温带宜居气候。

“我们知道这些放射性元素是调节气候所必需的,但我们不知道这些元素能做到这一点多长时间,因为它们会随着时间的推移而衰减,”关于这项研究的《天体物理学杂志快报》论文的主要作者 Cayman Unterborn 博士说. “此外,放射性元素在整个银河系中的分布并不均匀,随着行星的老化,它们可能会耗尽热量并且脱气将停止。因为行星可能比地球拥有或多或少的这些元素,我们想了解这是怎样发生的变化可能会影响岩石系外行星支持温带、类地气候的时间。”

研究系外行星具有挑战性。 今天的技术无法测量系外行星表面的成分,更不用说它的内部了。 然而,科学家们可以通过研究光怎样与恒星上层的元素相互作用来测量恒星中元素的丰度。 使用这些数据,科学家可以使用恒星成分作为其行星的粗略代表来推断恒星的轨道行星是由什么组成的。

“使用宿主恒星来估计在整个银河系历史中将进入行星的这些元素的数量,我们计算了我们可以预期行星在多长时间内有足够的火山活动来支持温带气候,然后再耗尽能量,”Unterborn 说. “在最悲观的条件下,我们估计对于地球质量的行星来说,这个关键年龄只有大约 20 亿年,而在更乐观的条件下,对于质量更大的行星来说,这个临界年龄会达到 5-60 亿年。对于我们确实有年龄的少数行星因为,我们发现只有少数足够年轻,我们可以自信地说他们今天可以对碳进行表面脱气,当我们用詹姆斯韦伯太空望远镜观察它时。”

这项研究将直接和间接观测数据与动力学模型相结合,以了解哪些参数最能影响系外行星支持温带气候的能力。 更多的实验室实验和计算建模将量化这些参数的合理范围,特别是在詹姆斯韦伯太空望远镜时代,这将为单个目标提供更深入的表征。 使用韦伯望远镜,将有可能测量系外行星大气的三维变化。 这些测量将加深对大气过程及其与行星表面和内部相互作用的了解,这将使科学家能够更好地估计宜居带的岩石系外行星是否太老而不能与地球相似。

“没有主动脱气的系外行星更有可能是寒冷的雪球行星,”Unterborn 说。 “虽然我们不能说其他行星今天没有脱气,但我们可以说它们需要特殊的条件才能做到这一点,例如潮汐加热或经历板块构造。这包括在TRAPPIST-1 恒星系统。无论怎样,气候温和的年轻行星可能是寻找其他地球的最简单的地方。