新研究阐明了遥远行星大气的命运

太阳系外行星系统的艺术插图。

研究人员模拟了数千个世界，以观察具有氢气氛的行星会发生什么。

当望远镜变得强大到足以找到绕着遥远的恒星运行的行星时，科学家惊讶地发现其中很多没有像地球这样的大气层。相反，它们似乎有厚厚的氢层。

在一项新的研究中，芝加哥大学的两位科学家研究了这些行星的大气如何演化，以及这些行星获得更像我们大气的可能性。通过对成千上万个模拟行星进行建模，他们估计，以氢气氛开始的行星演化成与地球一样的行星是非常罕见的，而且这样的行星通常最终会完全失去其大气层。

该结果发表于2020年7月21日的《美国国家科学院院刊》上，加深了我们对行星大气如何形成和生长的理解，并可以帮助天文学家缩小寻找具有类地球大气的行星的最佳位置。

阿斯特说：“行星的可居住区域在一条直线上，这是一条介于太多和太少大气之间的宇宙海岸线。”研究的第一作者，其他世界的火星和气候历史专家埃德温·凯特（Edwin Kite）教授。“沿着那条海岸线坐着很多行星，还是稀有？目前，这是行星科学中的一个大问题。”

该论文的第二作者，研究生，梅根·巴内特（Megan Barnett）说：“我们对岩石系外行星的气氛知之甚少。”“我们在本研究中研究的行星离它们的恒星太近，无法容纳生命，但是研究它们有助于我们理解形成或破坏大气层的整体过程。”

艺术家绘制的L98-59b渲染图，该行星发现于另一个可能具有大气层的恒星系统中。两位科学家模拟了数千个这样的行星，以更好地了解大气层的形成。

例如，科学家知道许多岩石行星是由氢气氛形成的，但是最初形成之后发生的情况还不清楚。他们是保持那种气氛，过渡到另一种气氛，还是完全失去气氛？

风筝和巴尼特（Kite and Barnett）取得了我们所知道的信息，并将其输入到一个程序中，以对不同大小和不同种类的行星进行模拟。然后，他们提出了不同的场景，并观察了如果附近的恒星的亮度发生变化，改变了行星所接收的辐射量，那么大气将发生什么情况；或恒星变暗，行星的岩石冷却下来；或火山喷发在地表。

他们的研究结果表明，如果一个行星从富含氢的大气开始，那么几乎没有条件组合可以最终转变为类似于地球的大气。凯特说：“在我们的模型中，这实际上是没有发生的。”“到目前为止，最普遍的结果是它失去了气氛，并永远保持着一块裸露的岩石。”

但是，在少数情况下，比地球大小大一点的行星通过大量喷出气体的火山喷发设法获得并保持了类似地球的大气层。

风筝和巴尼特还发现，最初具有类似地球的大气层的行星更容易保留它。

科学家们说，这些结果将有助于指导新的望远镜，如计划于明年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜，搜索可居住的行星。

凯特说：“从我们的发现来看，如果我们想寻找具有类似地球大气层的系外行星，我们应该针对那些没有氢大气层，轨道上活动较少的恒星或异常大的世界。”

参考：埃德温·S·凯特（Edwin S.Kite）和梅根·N·巴内特（Megan N.Barnett）的“系外行星次级大气层的损失与复兴”，2020年7月21日，美国国家科学院院刊。DOI：
10.1073 / pnas.2006177117

资金：美国宇航局