潮汐加热可以使系外卫星更适合居住(和可检测)

木星和伽利略卫星的插图。 信用:美国国家航空航天局

在太阳系内,我们的大部分天体生物学研究都针对火星,它被认为是地球以外第二个最适合居住的天体。 然而,未来的努力旨在探索太阳系外也可能适合居住的冰冷卫星(如欧罗巴、土卫二、土卫六等)。 在其系统的可居住区 (HZ) 内运行的类地(岩石)行星和离其母恒星更远运行的冰卫星之间的这种二分法有望为未来的太阳系外行星调查和天体生物学研究提供信息。

事实上,一些人认为,系外卫星可能在系外行星的可居住性方面发挥着至关重要的作用,也可能是寻找太阳系以外生命的好地方。 在一项新研究中,一组研究人员调查了系外卫星围绕其母体的轨道怎样导致(并限制)潮汐加热——引力相互作用导致内部的地质活动和加热。 反过来,这可以帮助系外行星猎人和天体生物学家确定哪些系外卫星更有可能适合居住。

该研究由南加州大学 (USC) 和卡内基科学研究所天文台的研究生 Armen Tokadjian 和教授 Anthony L. Piro 进行。 描述他们的发现的论文(“外卫星的潮汐加热在共振和探测的意义”)最近出现在网上,并已提交在《天文学杂志》上发表。 他们的分析主要受到太阳系中多行星卫星系统的启发,例如围绕木星、土星、天王星和海王星运行的卫星系统。

在许多情况下,这些冰冷的卫星被认为具有由潮汐加热产生的内部海洋,其中与更大行星的引力相互作用导致内部的地质作用。 反过来,由于在核心-地幔边界处存在热液喷口,这使得液态海洋得以存在。 这些喷口释放到海洋中的热量和化学物质可能使这些“海洋世界”可能适合居住——这是科学家们几十年来一直希望调查的事情。 正如 Tokadjian 通过电子邮件向今日宇宙解释的那样:

“就天体生物学而言,潮汐加热可能会将月球的表面温度提高到可以存在液态水的范围内。因此,即使是可居住区以外的系统也可能需要进一步的天体生物学研究。对于 example,由于与木星的潮汐相互作用,木卫二拥有一个液态海洋,尽管它位于太阳系的冰线之外。”

考虑到太阳系中有如此丰富的“海洋世界”,很可能在整个银河系中都可以找到类似的行星和多月系统。 正如皮罗通过电子邮件向今日宇宙解释的那样,系外卫星的存在对生命有很多重要的影响,包括:

  • 像我们这样的大卫星可以稳定地球的轴向倾斜,所以地球有规律的季节
  • 潮汐相互作用可以防止行星与其宿主恒星潮汐锁定,从而影响气候
  • 卫星可以潮汐加热行星,帮助它保持熔融核心,这具有许多地质意义
  • 当气态行星位于恒星的宜居带时,月球本身可以承载生命(想想恩多或潘多拉)

木星的“披萨月亮”,一个异常活跃的木卫一,在这张用朱诺红外相机拍摄的照片中显示了多座火山和热点。 图片来源:NASA/JPL-Caltech /SwRI/ASI/INAF/JIRAM/Roman Tkachenko

近几十年来,地质学家和天体生物学家推测,月球的形成(大约 45 亿年前)在生命的出现中发挥了重要作用。 我们的行星磁场是其熔化的外核围绕固体内核旋转的结果,其旋转方向与行星自身的旋转方向相反。 这种磁场的存在可以保护地球免受有害辐射,并使我们的大气随着时间的推移保持稳定——而不是被太阳风慢慢剥离(火星就是这种情况)。

简而言之,行星与其卫星之间的相互作用会影响两者的宜居性。 正如 Tokadjian 和 Piro 在之前的一篇论文中展示的那样,他们使用两个候选系外行星作为 example (Kepler-1708 bi 和 Kepler-1625 bi),系外卫星的存在甚至可以用来探索系外行星的内部。 Tokadjian 和 Piro 说,在多月系统的情况下,潮汐加热量取决于几个因素。 正如皮罗所示:

“当行星在月球上涨潮时,变形储存的一些能量被转移到加热月球。这个过程取决于许多因素,包括月球的内部结构和大小、行星的质量、行星-月球分离和月球的轨道偏心率。在多月系统中,如果卫星处于共振状态,偏心率可以被激发到相对较高的值,从而导致显着的潮汐加热。

“在阿门的工作中,他很好地表明,类似于我们在木星周围看到的木卫一的潮汐加热,多个卫星之间的共振相互作用可以有效地加热外卫星。通过‘共振’,我们指的是卫星周期服从某个整数的情况多个(如 2 比 1 或 3 比 2),以便它们的轨道在引力作用下定期相互‘踢’。”

在他们的论文中,Tokadjian 和 Piro 考虑了围绕不同大小和类型的行星(即较小的岩石行星到类似海王星的气态巨行星和超级木星)的 2:1 轨道共振。 根据他们的结果,最大的潮汐加热将发生在围绕岩石类地球行星运行的卫星中,其轨道周期为 2 到 4 天。 在这种情况下,潮汐光度超过 Io 的 1000 倍,潮汐温度达到 480 K(~207 °C;404 °F)。

这些发现可能对未来的系外行星和天体生物学调查产生重大影响,这些调查正在扩大到包括寻找系外卫星。 虽然像开普勒这样的任务已经探测到了许多候选系外卫星,但没有一个得到证实,因为使用传统方法和现有仪器很难探测到系外卫星。 正如 Tokadjian 解释的那样,潮汐加热可以为外月探测提供新方法:

“首先,我们有二次日食方法,即当一颗行星及其卫星移动到一颗恒星后面时,导致观测到的恒星通量下降。如果月球显着加热,这种二次下降将比预期的更深。 “

在未来几年,像詹姆斯韦伯这样的下一代望远镜(将于 7 月 12 日发布其第一张图像)将依靠先进的光学、红外成像和光谱仪的组合来检测系外行星大气中的化学特征。 ESO 的超大望远镜 (ELT) 等其他仪器将依赖自适应光学系统,从而可以对系外行星进行直接成像。 检测外卫星化学特征的能力将大大提高它们发现潜在生命迹象的能力。