最新研究稱「系外衛星」可能存在外星生命

最新研究稱「系外衛星」可能存在外星生命

兩顆環繞巨大氣體行星的系外衛星的藝術家印象圖。

鳳凰科技訊 北京時間3月8日消息，美國太空網報道，近日天文學家正在靜等並默默祈禱美國宇航局開普勒太空任務搜集的數據分析結果，該任務已經檢測到近3000顆可能的系外行星，它隱藏了或可能發現的第一批系外衛星的特徵。系外衛星的發現將為持續進行的搜尋系外可居住星球的研究開闢令人興奮的新邊界，一旦證實系外衛星的存在，科學家將開始定義可能影響它們可居住性的獨特特徵。

由於系外衛星環繞更大的行星天體，它們本身的潛在可居住性可能比系外行星本身面臨更多額外的限制條件。例如，宿主行星產生的日食現象，以及反射太陽光和熱量釋放等。最重要的是，宿主行星產生的引力導致的潮汐加熱可能嚴重的影響衛星的氣候和地質情況。

本質上來說，與行星相比，衛星擁有額外的能量來源，這能夠改變它們的「能量預算」，但倘若能量過高也可能將一個溫和的潛在生命樂園變成一個燒焦的廢墟。「衛星的可居住性與行星的可居住性的差異大體上在於它對能量預算的不同貢獻。」德國波茨坦萊布尼茲天體物理學研究所的博士後研究員勒內·海勒(René Heller)這樣說道。

「可居住的邊緣」

在最新發表的一系列文章中，海勒和同事、美國華盛頓大學以及美國宇航局天體生物學研究所的羅尼·巴內斯（Rory Barnes）討論了幾個因系外衛星和它們的宿主行星之間關係引發的可居住性的大問題。

海勒和巴內斯提出了環繞行星的「可居住邊緣」的概念，有點類似已經確定的環繞恆星的「可居住區」，該可居住區距離恆星的位置合適，溫度適宜恰好適合液態水的存在，因此也被稱為「宜居帶」（Goldilocks zone）。

可居住邊緣則不太相同，它被定義為行星軌道最內部，在這裡系外衛星無需經歷所謂的「失控的溫室效應」，為了適合生命存在，衛星必須位於可居住邊緣以外環繞著行星運行，海勒說道。

因積極的反饋循環導致行星或衛星的氣候無限加熱時就會產生失控的溫室效應。據稱這種現象曾在地球的雙胞胎姐妹——金星上發生過。年輕明亮的太陽產生的熱導致金星表面的一個原始海洋完全蒸發。而蒸發過程導致大氣層里存在更多吸熱的水蒸氣，這又進一步導致更多的蒸發，這個過程不斷循環最終導致水分子因太陽的紫外線輻射而分解成氫和氧，而金星也最終乾涸枯竭。金星大氣里的氫逃逸到外太空，而沒有氫元素也就無法形成水。

「一般來說，尤其是在太陽系裡，恆星照明是衛星獲得能量的主要來源。」海勒說道。「在更寬闊的行星軌道上，衛星幾乎完全依賴於恆星的能量輸入。但如果一顆衛星環繞宿主行星的距離非常近，那麼行星的恆星反射、自身的熱能釋放、日食以及潮汐加熱也變得非常重要。」

非潮汐性加熱效應的累積效應非常小，但它可能是位於可居住邊緣內部和外部的系外衛星的主要區別。

沐浴在日光

在地球上，通過月光的形式我們從月球上獲得了一點額外的能量，月光主要是反射太陽的光芒。月球也會從行星鄰居獲得更多的日光；地球照亮月球的光亮大約是月球照亮地球夜空的50倍。除了反射日光，行星還會以熱能輻射的形式向系外行星放射已經吸收的日光。

行星照耀產生的能量總量對系外行星的整體能量攝入來說不可忽視。設想一顆氣體巨星環繞著類似太陽的恆星運行，距離大約是地球與太陽的距離。它周圍有一顆衛星在非常近的軌道環繞它運行，就像木衛一環繞木星的軌道，海勒計算出這樣的衛星能夠吸收每平方米7瓦特左右的能量（地球從太陽吸收每平方米240瓦特的能量）。

周期性黑暗

日食可能會潛在的抵消某些行星照耀獲得的額外能量輸入。就日食現象，海勒計算出近軌道的系外衛星丟失的恆星照耀能量大約為整體的6.4%。

有趣的是，由於大多數衛星（包括我們的月球）的都潮汐鎖定到自己的行星——也即衛星的一面會持續正對行星——日食以及行星照耀只會導致一個半球的明亮或黑暗。這種現象也可能會改變氣候，以及生命形式的行為，而在地球上並不會發生這種現象。

「衛星上的不對稱照明，從地理和時間的角度上說，可能會導致特殊的風和溫度模式，這在行星氣候學方面還是個未知。」海勒說道。「生活在衛星的生命形式會面臨規則且頻繁的日食現象，它們肯定會適應睡-醒和搜尋-隱藏的節奏，但這也只限於生活在面朝行星的半球的生物。」

潮汐加熱效應

儘管因日食導致的照明損失只有不到10%，但衛星-行星二重奏必須距離恆星非常近才能補償這種損失，前提是這顆衛星具有可居住性的潛力。然而這種情況也導致了可居住性問題存在的另一個障礙：行星距離恆星越近，恆星對行星的衛星的潮汐引力越大。這種額外的引力會導致衛星進入一種非圓性或者偏心的運行軌道，而偏心軌道會導致衛星在環繞過程中受到不同大小的引力壓力。

這種「潮汐力」會因摩擦力而導致加熱。地球上海洋潮汐力的產生部分原因是因為月球引力拖拽了靠近它的水和陸地，從而扭曲了地球的形狀。這種效應是雙向但不對等的，與較小的衛星相比，行星受到的潮汐加熱效應要大得多。

如果系外衛星的軌道距離行星太近，潮汐加熱將會導致能量預算過高，從而積累失控的溫室效應。極端情況下，潮汐加熱會引發強烈的火山活動，導致衛星被濃厚的岩漿覆蓋，從而變得不適宜生命居住，就像「披薩衛星」木衛一一樣。

另一方面，潮汐加熱也可能是生命的救星。潮汐加熱可以幫助維持地下海洋，類似於科學家懷疑木星的衛星木衛二上存在的地下海洋，這種效應還可能將一個位於傳統可居住區以外的系外衛星潛在的變得適宜居住。

小恆星，死亡衛星

日食現象剝奪系外衛星能量導致衛星-行星必須距離恆星非常近的問題還涉及另一個因素，也即，為了保持與行星的引力吸引並且不被恆星的引力撕裂，衛星必須位於所謂的「希爾半徑」——也就是行星的引力優勢範圍。這個半徑縮小到距離宿主恆星足夠近的範圍。行星和衛星距離恆星越近，可居住邊緣以外的空間越少。

對環繞昏暗、冷卻、低質量恆星，也即紅矮星，的行星和衛星而言，這種動態性變得異常重要。環繞紅矮星的可居住區非常緊密，以質量為太陽質量1/4的恆星為例，宜居帶的位置大約是地球太陽距離的13%，換句話說也即水星和太陽距離的1/3。

在紅矮星太陽系內，衛星不僅僅要非常靠近行星的可居住區，當然前提是行星距離自身恆星足夠近，衛星的軌道還必須相對偏心。這些特性增加了衛星位於可居住邊緣的可能性。海勒計算出很多紅矮星存在可居住衛星的概率相對較小。

「還存在一個至關重要的因素，那便是恆星質量極限，當恆星質量低於這個質量極限時，根本不可能有任何可居住衛星存在。」海勒解釋道。「環繞低質量恆星——也即質量大約為太陽質量的20%——的衛星必須距離行星可居住區非常近，以保持引力相系吸，但它因此會受到強烈的潮汐加熱效應從而導致不適合居住。」

多重因素

除了可居住邊緣，很多其他相關因素會最終決定一顆系外衛星的可居住性。

考慮到大多數生物（不僅僅是地下細菌）的生存，系外衛星必須和其它可居住的、類似地球的系外行星一樣符合某些基本的條件。它的地表必須存在液態水，它必須擁有長期的大氣層以及磁場以保護生命免受太陽輻射，對環繞類似木星這樣的氣體巨星的系外衛星而言，則是為了避免巨星系外行星磁氣圈產生的帶電粒子。

據科學家推測，具備這些特性的可宜居系外衛星可能要比太陽系內的衛星體積都大——可能比地球體積略微大一些。太陽系最大的衛星，木星的衛星木衛三，質量只有地球的2.5%。但之前的研究表明，按照太陽系的標準，巨大的衛星的存在也不是不可能的。

美國宇航局開普勒太空項目預計將探測到質量為地球的20%的系外衛星。科學家收集的數據，包括行星（或者衛星本身）遮擋住我們觀測視線時導致星光光亮度的略微下降，將揭示衛星的質量以及軌道參數等。

利用這些信息，加上之前提出的可居住邊緣理論，天文學家希望能夠提出一些就發現的某些衛星是否支持生命存在的比較靠譜的猜想。海勒希望藉助下一代設備的觀測，例如美國宇航局的韋伯太空望遠鏡以及各種30米地面望遠鏡，能夠發現一系列系外衛星候選者。這些新型觀測設備將幫助定義系外衛星的大氣層並提供或可能支持生命存在的證據。

「我們發現的第一批系外衛星可能非常巨大——體積相當於地球或火星——因此本質上來說可能比小衛星更可能支持生命存在。」海勒說道。「利用開普勒太空望遠鏡我們在恆星可居住區發現的巨型行星比類地行星的數量要多得多，我們必須儘力查明這些巨星的潛在可居住衛星上可能存在的環境條件和情況，這一點非常重要！」

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