恒星質(zhì)量決定類(lèi)地行星的海洋有多深和宜居性？
清華大學(xué)地學(xué)中心田豐教授在《自然-地球科學(xué)》以第一作者發(fā)表論文
揭示太陽(yáng)類(lèi)型恒星才是搜尋宜居行星的最佳目標(biāo)
清華新聞網(wǎng)2月17日電 最近，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心田豐教授研究發(fā)現(xiàn)含水量接近地球的類(lèi)地行星存在于紅矮星宜居帶內(nèi)的概率極低，因此太陽(yáng)類(lèi)型恒星才是搜尋宜居行星的最佳目標(biāo)。2月16日在《自然-地球科學(xué)》（Nature Geoscience）上發(fā)表了以田豐為第一作者和通訊作者的題為“紅矮星周?chē)?lèi)地行星的水含量”（Water contents of Earth-mass planets around M dwarfs）的研究論文，東京理工學(xué)院地球-生命研究所的井田茂教授是該論文的另外一位作者。
太陽(yáng)附近的恒星大多是小于0.5太陽(yáng)質(zhì)量的紅矮星，因?yàn)橘|(zhì)量和體積小，這些恒星周?chē)囊司有行歉菀妆灰曄蛩俣确ɑ蜓谛欠òl(fā)現(xiàn)，因此目前美國(guó)NASA已批準(zhǔn)主要目標(biāo)是紅矮星的系外行星搜尋計(jì)劃TESS。但是田豐教授和井田茂教授有不同的看法。
太陽(yáng)類(lèi)型恒星在其形成后的最初一億年內(nèi)的亮度變化不大；與此對(duì)比，紅矮星的亮度在這一階段可以減少10倍以上。此前還沒(méi)有人研究紅矮星的亮度變化對(duì)類(lèi)地行星水含量的影響。田豐和井田茂對(duì)不同質(zhì)量的前主序恒星周?chē)?lèi)地行星的形成和水含量演化開(kāi)展了計(jì)算機(jī)模擬。
上面二圖分別顯示0.3和1太陽(yáng)質(zhì)量恒星宜居帶內(nèi)不同水含量的類(lèi)地行星的個(gè)數(shù)。兩條豎虛線表示金星和地球的大氣和海洋水含量。不同顏色的條帶表示不同水逃逸的情形。從二圖的對(duì)比可以看出恒星質(zhì)量對(duì)類(lèi)地行星水含量的決定性影響：太陽(yáng)類(lèi)型恒星宜居帶內(nèi)出現(xiàn)水含量接近地球的類(lèi)地行星的概率比紅矮星宜居帶出現(xiàn)類(lèi)似行星的概率高10到100倍。
計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在1000顆0.3太陽(yáng)質(zhì)量恒星周?chē)嬖?萬(wàn)9千顆行星，其中5千顆的質(zhì)量在0.1到10地球質(zhì)量范圍，這些類(lèi)地行星中55顆位于恒星主序階段的宜居帶內(nèi);而這些行星中有31顆海洋行星，23顆沙漠行星，只有1顆水含量接近地球。
在1000顆0.5太陽(yáng)質(zhì)量恒星周?chē)嬖?萬(wàn)5千顆行星，其中9千多顆是類(lèi)地行星，類(lèi)地行星中292顆位于恒星主序階段的宜居帶內(nèi)；而這些行星中有60顆海洋行星，220顆沙漠行星，另外12顆水含量接近地球。
與此對(duì)比，在1000顆1太陽(yáng)質(zhì)量恒星周?chē)嬖?萬(wàn)8千顆行星，其中8千顆是類(lèi)地行星，類(lèi)地行星中407顆位于恒星主序階段的宜居帶內(nèi)；除掉 91顆海洋行星和45顆沙漠行星，這些行星中的絕大多數(shù)（271顆）是水含量接近地球的類(lèi)地行星。因此太陽(yáng)類(lèi)型恒星宜居帶內(nèi)出現(xiàn)水含量接近地球的類(lèi)地行星的概率比紅矮星宜居帶出現(xiàn)類(lèi)似行星的概率高10到100倍。
造成上述情況發(fā)生的原因是紅矮星周?chē)跏妓拷咏厍虻男行且驗(yàn)檫^(guò)高的恒星輻射而嚴(yán)重脫水變?yōu)樯衬行牵欢t矮星周?chē)暮Ｑ笮行请m然也脫水，但是因?yàn)槌跏妓窟^(guò)高而難以降低到地球值范圍。
行星宜居性和類(lèi)地行星水含量的關(guān)系很大：如果行星水含量過(guò)低，生命無(wú)法生存，金星是這種沙漠行星的最好例證；但是行星水含量過(guò)高也不利：如果行星質(zhì)量的百分之一以上是水的話，平均海洋深度將超過(guò)100公里，無(wú)法形成陸地；這種海洋行星的氣候很不穩(wěn)定，而且生命所需營(yíng)養(yǎng)成分的供給嚴(yán)重不足。因此田豐和井田茂認(rèn)為太陽(yáng)類(lèi)型的恒星才應(yīng)該是搜尋第二個(gè)地球的主要目標(biāo)。論文還指出未來(lái)關(guān)于類(lèi)地系外行星的密度和多波段大氣光譜測(cè)量將能夠區(qū)分海洋行星、沙漠行星和水含量類(lèi)似地球的行星。
附 文獻(xiàn)鏈接：
Feng Tian and Shigeru Ida “Water contents of Earth-mass planets around M dwarfs”, Nature Geoscience 2015.
http://dx.doi.org/10.1038/ngeo2372
供稿：地學(xué)中心 編輯：襄樺
