两颗环绕巨大气体行星的系外卫星的艺术家印象图。

 

       北京时间3月8日消息，美国太空网报道，近日天文学家正在静等并默默祈祷美国宇航局开普勒太空任务搜集的数据分析结果，该任务已经检测到近3000颗可能的系外行星，它隐藏了或可能发现的第一批系外卫星的特征。系外卫星的发现将为持续进行的搜寻系外可居住星球的研究开辟令人兴奋的新边界，一旦证实系外卫星的存在，科学家将开始定义可能影响它们可居住性的独特特征。

 

       由于系外卫星环绕更大的行星天体，它们本身的潜在可居住性可能比系外行星本身面临更多额外的限制条件。例如，宿主行星产生的日食现象，以及反射太阳光和热量释放等。最重要的是，宿主行星产生的引力导致的潮汐加热可能严重的影响卫星的气候和地质情况。

 

       本质上来说，与行星相比，卫星拥有额外的能量来源，这能够改变它们的“能量预算”，但倘若能量过高也可能将一个温和的潜在生命乐园变成一个烧焦的废墟。“卫星的可居住性与行星的可居住性的差异大体上在于它对能量预算的不同贡献。”德国波茨坦莱布尼兹天体物理学研究所的博士后研究员勒内·海勒(René Heller)这样说道。

 

       “可居住的边缘”

 

       在最新发表的一系列文章中，海勒和同事、美国华盛顿大学以及美国宇航局天体生物学研究所的罗尼·巴内斯（Rory Barnes）讨论了几个因系外卫星和它们的宿主行星之间关系引发的可居住性的大问题。

 

       海勒和巴内斯提出了环绕行星的“可居住边缘”的概念，有点类似已经确定的环绕恒星的“可居住区”，该可居住区距离恒星的位置合适，温度适宜恰好适合液态水的存在，因此也被称为“宜居带”（Goldilocks zone）。

 

       可居住边缘则不太相同，它被定义为行星轨道最内部，在这里系外卫星无需经历所谓的“失控的温室效应”，为了适合生命存在，卫星必须位于可居住边缘以外环绕着行星运行，海勒说道。

 

       因积极的反馈循环导致行星或卫星的气候无限加热时就会产生失控的温室效应。据称这种现象曾在地球的双胞胎姐妹——金星上发生过。年轻明亮的太阳产生的热导致金星表面的一个原始海洋完全蒸发。而蒸发过程导致大气层里存在更多吸热的水蒸气，这又进一步导致更多的蒸发，这个过程不断循环最终导致水分子因太阳的紫外线辐射而分解成氢和氧，而金星也最终干涸枯竭。金星大气里的氢逃逸到外太空，而没有氢元素也就无法形成水。

 

       “一般来说，尤其是在太阳系里，恒星照明是卫星获得能量的主要来源。”海勒说道。“在更宽阔的行星轨道上，卫星几乎完全依赖于恒星的能量输入。但如果一颗卫星环绕宿主行星的距离非常近，那么行星的恒星反射、自身的热能释放、日食以及潮汐加热也变得非常重要。”

 

       非潮汐性加热效应的累积效应非常小，但它可能是位于可居住边缘内部和外部的系外卫星的主要区别。

 

       沐浴在日光

 

       在地球上，通过月光的形式我们从月球上获得了一点额外的能量，月光主要是反射太阳的光芒。月球也会从行星邻居获得更多的日光；地球照亮月球的光亮大约是月球照亮地球夜空的50倍。除了反射日光，行星还会以热能辐射的形式向系外行星放射已经吸收的日光。

 

       行星照耀产生的能量总量对系外行星的整体能量摄入来说不可忽视。设想一颗气体巨星环绕着类似太阳的恒星运行，距离大约是地球与太阳的距离。它周围有一颗卫星在非常近的轨道环绕它运行，就像木卫一环绕木星的轨道，海勒计算出这样的卫星能够吸收每平方米7瓦特左右的能量（地球从太阳吸收每平方米240瓦特的能量）。

 

       周期性黑暗

 

       日食可能会潜在的抵消某些行星照耀获得的额外能量输入。就日食现象，海勒计算出近轨道的系外卫星丢失的恒星照耀能量大约为整体的6.4%。

 

       有趣的是，由于大多数卫星（包括我们的月球）的都潮汐锁定到自己的行星——也即卫星的一面会持续正对行星——日食以及行星照耀只会导致一个半球的明亮或黑暗。这种现象也可能会改变气候，以及生命形式的行为，而在地球上并不会发生这种现象。

 

       “卫星上的不对称照明，从地理和时间的角度上说，可能会导致特殊的风和温度模式，这在行星气候学方面还是个未知。”海勒说道。“生活在卫星的生命形式会面临规则且频繁的日食现象，它们肯定会适应睡-醒和搜寻-隐藏的节奏，但这也只限于生活在面朝行星的半球的生物。”

 

       潮汐加热效应

 

       尽管因日食导致的照明损失只有不到10%，但卫星-行星二重奏必须距离恒星非常近才能补偿这种损失，前提是这颗卫星具有可居住性的潜力。然而这种情况也导致了可居住性问题存在的另一个障碍：行星距离恒星越近，恒星对行星的卫星的潮汐引力越大。这种额外的引力会导致卫星进入一种非圆性或者偏心的运行轨道，而偏心轨道会导致卫星在环绕过程中受到不同大小的引力压力。

 

       这种“潮汐力”会因摩擦力而导致加热。地球上海洋潮汐力的产生部分原因是因为月球引力拖拽了靠近它的水和陆地，从而扭曲了地球的形状。这种效应是双向但不对等的，与较小的卫星相比，行星受到的潮汐加热效应要大得多。

 

       如果系外卫星的轨道距离行星太近，潮汐加热将会导致能量预算过高，从而积累失控的温室效应。极端情况下，潮汐加热会引发强烈的火山活动，导致卫星被浓厚的岩浆覆盖，从而变得不适宜生命居住，就像“披萨卫星”木卫一一样。

 

       另一方面，潮汐加热也可能是生命的救星。潮汐加热可以帮助维持地下海洋，类似于科学家怀疑木星的卫星木卫二上存在的地下海洋，这种效应还可能将一个位于传统可居住区以外的系外卫星潜在的变得适宜居住。

 

       小恒星，死亡卫星

 

       日食现象剥夺系外卫星能量导致卫星-行星必须距离恒星非常近的问题还涉及另一个因素，也即，为了保持与行星的引力吸引并且不被恒星的引力撕裂，卫星必须位于所谓的“希尔半径”——也就是行星的引力优势范围。这个半径缩小到距离宿主恒星足够近的范围。行星和卫星距离恒星越近，可居住边缘以外的空间越少。

 

       对环绕昏暗、冷却、低质量恒星，也即红矮星，的行星和卫星而言，这种动态性变得异常重要。环绕红矮星的可居住区非常紧密，以质量为太阳质量1/4的恒星为例，宜居带的位置大约是地球太阳距离的13%，换句话说也即水星和太阳距离的1/3。

 

       在红矮星太阳系内，卫星不仅仅要非常靠近行星的可居住区，当然前提是行星距离自身恒星足够近，卫星的轨道还必须相对偏心。这些特性增加了卫星位于可居住边缘的可能性。海勒计算出很多红矮星存在可居住卫星的概率相对较小。

 

       “还存在一个至关重要的因素，那便是恒星质量极限，当恒星质量低于这个质量极限时，根本不可能有任何可居住卫星存在。”海勒解释道。“环绕低质量恒星——也即质量大约为太阳质量的20%——的卫星必须距离行星可居住区非常近，以保持引力相系吸，但它因此会受到强烈的潮汐加热效应从而导致不适合居住。”

 

       多重因素

 

       除了可居住边缘，很多其他相关因素会最终决定一颗系外卫星的可居住性。

 

       考虑到大多数生物（不仅仅是地下细菌）的生存，系外卫星必须和其它可居住的、类似地球的系外行星一样符合某些基本的条件。它的地表必须存在液态水，它必须拥有长期的大气层以及磁场以保护生命免受太阳辐射，对环绕类似木星这样的气体巨星的系外卫星而言，则是为了避免巨星系外行星磁气圈产生的带电粒子。

 

       据科学家推测，具备这些特性的可宜居系外卫星可能要比太阳系内的卫星体积都大——可能比地球体积略微大一些。太阳系最大的卫星，木星的卫星木卫三，质量只有地球的2.5%。但之前的研究表明，按照太阳系的标准，巨大的卫星的存在也不是不可能的。

 

       美国宇航局开普勒太空项目预计将探测到质量为地球的20%的系外卫星。科学家收集的数据，包括行星（或者卫星本身）遮挡住我们观测视线时导致星光光亮度的略微下降，将揭示卫星的质量以及轨道参数等。

 

       利用这些信息，加上之前提出的可居住边缘理论，天文学家希望能够提出一些就发现的某些卫星是否支持生命存在的比较靠谱的猜想。海勒希望借助下一代设备的观测，例如美国宇航局的韦伯太空望远镜以及各种30米地面望远镜，能够发现一系列系外卫星候选者。这些新型观测设备将帮助定义系外卫星的大气层并提供或可能支持生命存在的证据。

 

       “我们发现的第一批系外卫星可能非常巨大——体积相当于地球或火星——因此本质上来说可能比小卫星更可能支持生命存在。”海勒说道。“利用开普勒太空望远镜我们在恒星可居住区发现的巨型行星比类地行星的数量要多得多，我们必须尽力查明这些巨星的潜在可居住卫星上可能存在的环境条件和情况，这一点非常重要！”

 

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