太古時(shí)期，圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的一些行星的大氣層，可能因?yàn)槎喾N原因離開行星進(jìn)入太空。現(xiàn)在，這種流體大氣逃逸方式在太陽(yáng)系中已不復(fù)存在。
然而，通過空間和地面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在一些離宿主恒星很近的系外行星上，流體大氣逃逸一直存在，這不僅改變了行星的質(zhì)量，還影響了行星的氣候和環(huán)境。
近日，由中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)研究員郭建恒發(fā)起的一項(xiàng)新研究，創(chuàng)新揭示了質(zhì)量在地球到海王星范圍內(nèi)富氫系外行星流體大氣逃逸的不同驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為人們準(zhǔn)確理解這類逃逸過程提供了新視角，也為尋找可能適宜人類居住的系外行星提供了新方法。相關(guān)論文發(fā)表于《自然·天文》。
尋覓帶大氣層的系外行星
人類賴以生存的太陽(yáng)，帶著諸行星及其衛(wèi)星亙古旋轉(zhuǎn)。在太陽(yáng)系外，是否還有帶著行星游走的其他恒星？1995年，科學(xué)家首次找到了繞類太陽(yáng)恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的系外行星，并憑借此成果獲得了2019年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
“到目前為止，天文學(xué)界已發(fā)現(xiàn)5600多顆系外行星。”云南天文臺(tái)研究員李焱向記者介紹。在地球上有智慧生命存在，而系外行星是否也能如此，取決于其是否宜居。對(duì)照太陽(yáng)系，行星離恒星不能太近也不能太遠(yuǎn)，表面溫度適宜，才能宜居。“星球上生命存在的另一個(gè)關(guān)鍵，就是一定要有液態(tài)水。”李焱說，大氣層的存在，成為衡量一顆行星是否宜居的第三個(gè)重要條件。因此探測(cè)系外行星是否存在大氣層，就成了非常重要的問題。
“舉例來說，金星和地球的環(huán)境十分相似，但為什么我們?cè)诮鹦巧蠜]有找到水，也沒有找到生命的信號(hào)？其實(shí)，早期的金星表面曾存在水。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，早期金星上的水已隨著大氣逃逸了。”郭建恒告訴記者，這種逃逸機(jī)制，正是他研究的出發(fā)點(diǎn)。
此前，人們需要依賴復(fù)雜的模型來判斷一顆行星上的流體大氣逃逸行為，但得到的結(jié)論往往并不明確。“流體大氣逃逸是一個(gè)很復(fù)雜的過程，不同恒星的情況也千差萬別。”郭建恒說，此次研究的意義，就是只要有確定的系外恒星及行星信息，就可以據(jù)此判斷其行星大氣是否穩(wěn)定以及是否會(huì)逃逸。
修正金斯參數(shù)
歷經(jīng)多年研究，郭建恒發(fā)現(xiàn)，即使在沒有其他外部能量源的情況下，在那些低質(zhì)量和大半徑的行星上，只要有足夠多的內(nèi)能或足夠高的溫度就可以驅(qū)動(dòng)大氣逃逸。
在天文學(xué)中，金斯參數(shù)是用來描述天體系統(tǒng)中氣體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。它主要與天體的質(zhì)量、半徑、氣體的溫度、分子質(zhì)量相關(guān)，反映了氣體在引力作用下的穩(wěn)定性。然而，當(dāng)考慮外部能量驅(qū)動(dòng)過程，比如恒星的極紫外輻射和潮汐力做功驅(qū)動(dòng)，金斯參數(shù)就無法準(zhǔn)確反映天體系統(tǒng)的氣體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。
因此，郭建恒引入恒星的潮汐力，定義了一個(gè)改進(jìn)的金斯參數(shù)。通過該參數(shù)，能簡(jiǎn)潔準(zhǔn)確地區(qū)分恒星潮汐力和極紫外輻射在驅(qū)動(dòng)大氣逃逸中的角色。以此為基礎(chǔ)，科研人員只需使用質(zhì)量、半徑和軌道距離等恒星和行星的基本物理參數(shù)，就可以對(duì)低質(zhì)量行星大氣流體逃逸機(jī)制作出分類。這一新參數(shù)，不僅幫助研究者更精確地區(qū)分外部能源導(dǎo)致大氣逃逸的不同物理過程，還可以很好地區(qū)分恒星極紫外輻射和潮汐力驅(qū)動(dòng)的逃逸。
“1924年提出的金斯參數(shù)，到現(xiàn)在為止一直都沒有任何更改。對(duì)它進(jìn)行修正，是我此次研究的貢獻(xiàn)。”郭建恒說，研究還發(fā)現(xiàn)，具有高引力勢(shì)和低恒星輻射的行星，更可能經(jīng)歷一種慢速的流體大氣逃逸，否則行星則以快速的流體大氣逃逸為主。
“人類在宇宙中是否孤獨(dú)？科學(xué)家一直在努力地尋求答案。”中國(guó)科學(xué)院院士、云南天文臺(tái)研究員韓占文說，下一步我們需要知道行星上是否有大氣、是否有生命，郭建恒團(tuán)隊(duì)對(duì)行星大氣的逃逸機(jī)制作出了清晰的分類，推進(jìn)了人們對(duì)行星大氣逃逸的認(rèn)識(shí)，為下一步研究行星的宜居性和行星大氣演化過程提供了理論依據(jù)。
多位論文審稿人也認(rèn)為，該研究提出了一種新穎的方法來判斷大氣逃逸類別，這對(duì)了解系外行星非常重要。隨著人類對(duì)宇宙中潛在宜居星球的探索不斷深入，這一發(fā)現(xiàn)可幫助人們更好地理解那些遙遠(yuǎn)星球的環(huán)境及演變歷程。
太古時(shí)期，圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的一些行星的大氣層，可能因?yàn)槎喾N原因離開行星進(jìn)入太空。現(xiàn)在，這種流體大氣逃逸方式在太陽(yáng)系中已不復(fù)存在。
然而，通過空間和地面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在一些離宿主恒星很近的系外行星上，流體大氣逃逸一直存在，這不僅改變了行星的質(zhì)量，還影響了行星的氣候和環(huán)境。
近日，由中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)研究員郭建恒發(fā)起的一項(xiàng)新研究，創(chuàng)新揭示了質(zhì)量在地球到海王星范圍內(nèi)富氫系外行星流體大氣逃逸的不同驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為人們準(zhǔn)確理解這類逃逸過程提供了新視角，也為尋找可能適宜人類居住的系外行星提供了新方法。相關(guān)論文發(fā)表于《自然·天文》。
尋覓帶大氣層的系外行星
人類賴以生存的太陽(yáng)，帶著諸行星及其衛(wèi)星亙古旋轉(zhuǎn)。在太陽(yáng)系外，是否還有帶著行星游走的其他恒星？1995年，科學(xué)家首次找到了繞類太陽(yáng)恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的系外行星，并憑借此成果獲得了2019年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
“到目前為止，天文學(xué)界已發(fā)現(xiàn)5600多顆系外行星。”云南天文臺(tái)研究員李焱向記者介紹。在地球上有智慧生命存在，而系外行星是否也能如此，取決于其是否宜居。對(duì)照太陽(yáng)系，行星離恒星不能太近也不能太遠(yuǎn)，表面溫度適宜，才能宜居。“星球上生命存在的另一個(gè)關(guān)鍵，就是一定要有液態(tài)水。”李焱說，大氣層的存在，成為衡量一顆行星是否宜居的第三個(gè)重要條件。因此探測(cè)系外行星是否存在大氣層，就成了非常重要的問題。
“舉例來說，金星和地球的環(huán)境十分相似，但為什么我們?cè)诮鹦巧蠜]有找到水，也沒有找到生命的信號(hào)？其實(shí)，早期的金星表面曾存在水。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，早期金星上的水已隨著大氣逃逸了。”郭建恒告訴記者，這種逃逸機(jī)制，正是他研究的出發(fā)點(diǎn)。
此前，人們需要依賴復(fù)雜的模型來判斷一顆行星上的流體大氣逃逸行為，但得到的結(jié)論往往并不明確。“流體大氣逃逸是一個(gè)很復(fù)雜的過程，不同恒星的情況也千差萬別。”郭建恒說，此次研究的意義，就是只要有確定的系外恒星及行星信息，就可以據(jù)此判斷其行星大氣是否穩(wěn)定以及是否會(huì)逃逸。
修正金斯參數(shù)
歷經(jīng)多年研究，郭建恒發(fā)現(xiàn)，即使在沒有其他外部能量源的情況下，在那些低質(zhì)量和大半徑的行星上，只要有足夠多的內(nèi)能或足夠高的溫度就可以驅(qū)動(dòng)大氣逃逸。
在天文學(xué)中，金斯參數(shù)是用來描述天體系統(tǒng)中氣體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。它主要與天體的質(zhì)量、半徑、氣體的溫度、分子質(zhì)量相關(guān)，反映了氣體在引力作用下的穩(wěn)定性。然而，當(dāng)考慮外部能量驅(qū)動(dòng)過程，比如恒星的極紫外輻射和潮汐力做功驅(qū)動(dòng)，金斯參數(shù)就無法準(zhǔn)確反映天體系統(tǒng)的氣體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。
因此，郭建恒引入恒星的潮汐力，定義了一個(gè)改進(jìn)的金斯參數(shù)。通過該參數(shù)，能簡(jiǎn)潔準(zhǔn)確地區(qū)分恒星潮汐力和極紫外輻射在驅(qū)動(dòng)大氣逃逸中的角色。以此為基礎(chǔ)，科研人員只需使用質(zhì)量、半徑和軌道距離等恒星和行星的基本物理參數(shù)，就可以對(duì)低質(zhì)量行星大氣流體逃逸機(jī)制作出分類。這一新參數(shù)，不僅幫助研究者更精確地區(qū)分外部能源導(dǎo)致大氣逃逸的不同物理過程，還可以很好地區(qū)分恒星極紫外輻射和潮汐力驅(qū)動(dòng)的逃逸。
“1924年提出的金斯參數(shù)，到現(xiàn)在為止一直都沒有任何更改。對(duì)它進(jìn)行修正，是我此次研究的貢獻(xiàn)。”郭建恒說，研究還發(fā)現(xiàn)，具有高引力勢(shì)和低恒星輻射的行星，更可能經(jīng)歷一種慢速的流體大氣逃逸，否則行星則以快速的流體大氣逃逸為主。
“人類在宇宙中是否孤獨(dú)？科學(xué)家一直在努力地尋求答案。”中國(guó)科學(xué)院院士、云南天文臺(tái)研究員韓占文說，下一步我們需要知道行星上是否有大氣、是否有生命，郭建恒團(tuán)隊(duì)對(duì)行星大氣的逃逸機(jī)制作出了清晰的分類，推進(jìn)了人們對(duì)行星大氣逃逸的認(rèn)識(shí)，為下一步研究行星的宜居性和行星大氣演化過程提供了理論依據(jù)。
多位論文審稿人也認(rèn)為，該研究提出了一種新穎的方法來判斷大氣逃逸類別，這對(duì)了解系外行星非常重要。隨著人類對(duì)宇宙中潛在宜居星球的探索不斷深入，這一發(fā)現(xiàn)可幫助人們更好地理解那些遙遠(yuǎn)星球的環(huán)境及演變歷程。
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