找到含水“超级地球”?

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  一起来探索宇宙的奥秘

  To explore universe

  我们知道,水的分子式是H2O,其中的组成元素氧(O)和氢(H)在生命演化中必不可少,而作为氧和氢的主要载体,水的存在也是生命可以存活并不断繁衍的的必要条件,所以有水与否就成为了一个温度适宜的陆地行星是否适合生命体居住的一个重要指标。

  

  水在生命起源里和生命活动中的作用

  人体的70%都是水,其在生命活动中起着不可替代的作用,如调节体温、润滑关节、代谢废物、运输营养、保证血液量等。那么水在生命起源里扮演着什么样的角色呢?

  我们首先来回顾生命的起源,想象一下这样的原始地球的画面:

  

  原始地球

  50亿年前的原始地球,天上烈日灼空、电闪雷鸣,而地面上又是另一番景象——火山喷发、熔岩滚滚,巨大的热能使原始地球各种物质激烈地运动和变化,生命此刻也在悄然蓄势待发。随着时间不断推移,原始地球也在不断的散热,灼热的表面逐渐冷却,之前从大地上“跑”到天空里的水,也会冷却并凝结成雨点,又降落到地面来,在这个过程里,原始海洋初具雏形。这个过程持续了许多亿年,原始海洋逐渐形成。

  降雨过程中, 氢气、二氧化碳、 氨和甲烷随雨水降落,同时许多矿物质和有机物也陆续随水汇集到海洋里。在原始海洋里,因为这些有机物的碰撞作用,各种与生命相关的有机物源源不断地产生,使海洋成为生命的摇篮。蛋白质和核酸是其中的两种有机物,在地球早期的原始海洋中,经历亿万年的发展和聚合,它们发生了重大的变化,形成了“聚合物”的多分子体系,并与周围环境之间产生了一层“膜”,这些独立出来的多分子体,从环境中吸收物质,同时排出“废物”,使自己的化学组织部分不断自我更新与改造。随着时间的推移,它们就从无生命的领域跨入生命领域。这真是一个伟大的转折与进步,因为地球上的生命从此宣告诞生了!

  由此可见,无论是作为环境中的载体,还是绝大多数生化反应的参与者,水在生命起源里都起着不可替代的作用,如果在一个星球上发现了水并且可以保存下来,就说明这个星球可能有生命存在,也可以说这是一个适合生命体居住的星球。

  

  什么样的星球最可能观测到水?

  试想一下,一个有液态水存在的星球,上面的水不会始终保持固态或气态,就说明星球的温度应该会与地球温度水平接近,既不太热,也不太冷,所以这类星球与太阳或者恒星的距离肯定是适中的,同时温度对我们来说是也非常适宜的。正因为星球上的水可以保留下来,说明外面很可能有大气层,这些大气层就像给星体裹上了一层特殊的保鲜膜,它们会阻止液态水都蒸发到大气中,变成水蒸气而消耗殆尽,这样就为生命的存在提供了可能。因此科学家们认为,浩瀚的银河系不计其数的星体中,那些与太阳或者恒星距离适中且具有大气层的星球,才最有可能探测到水。

  

  浩瀚的银河系

  有一类行星,环境可能与地球类似,但是质量比地球大,通常是地球质量的1到10倍,称之为“类地行星”,科学家也将它们命名为“超级地球”。这类行星显著的特点就是质量比地球大,我们知道,行星的质量越大,它本身产生的引力就越大,吸引的气体分子越多,形成的大气层就越厚,所以“超级地球”很有可能存在大气层且比较厚,大气层不仅能够隔绝有害的太空辐射,同时也能加快山体和丘陵的侵蚀从而使得星球表面趋于平坦,最重要的一点就是能够有效防止气态水的挥发,为生命的存在保留足够多的水。除此之外,“超级地球”分布在太阳系外,这个距离也比较适合进行观测,不会因为距离过远而较难检测到行星表面及大气层,所以太阳系外的这些“超级地球”,最有可能存在并观测到水。

  

  一个既拥有厚的大气层又可能含水的星球

  

  超级地球模拟图

  近日,经过系统的观测和模拟计算,科学家认为在一颗名为“K2-18b”的行星周围大气中最可能检测到水。早在2015年,开普勒航天器发现了K2-18b,质量为7.96±1.91个地球的质量,半径约为地球的2.279倍。它围绕着一颗离地球34pc的矮星M2.5进行公转,我们不难将它们类比为太阳系里地球与太阳的关系。矮星M2.5表面有效温度为3457±39K。我们知道,恒星可居住区范围为0.12-0.25au(au是地球与太阳的距离),而K2-18b与矮星M2.5之间的距离为0.1429au,这表明K2-18b很可能是适合居住的。

  进一步推测出它的表面有效温度可能是200K和320K之间,这与地球的温度水平也比较接近,经由质量和体积数据算得,K2-18b这个行星可以产生3.3±1.2g/ cm3堆积密度,比地球的平均密度(5.51g/ cm3)要低的多,也说明行星组成中可能含有一定量的水。

  在最近实施的空间扫描观测战略中,科学家们利用哈勃空间望远镜上的宽视场相机 (WFC3)可以观测到“超级地球”K2-18b的大气特征和光谱,并且通过模拟计算,有约3.6σ置信度认为K2-18b有望成为“超级地球”中第一颗周围可观测到大气的可居住行星。

  除此之外,科学家们也模拟了K2-18 b的大气,包括所观测波长范围内的所有潜在气体,即水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氨。然而发现在观测中,只有水蒸气的光谱特征被高置信度地检测到,也就是说,在K2-18 b的大气中被检测的这些气体里,只有水是最可能存在的,这就为以后寻找可适合人类移民居住的星球提供了参考和方向。

  

  如果未来真的可以在这个星球中检测到水,那么人类移民太空的计划将不再是梦想。但是这也不意味着人类从此就可以有恃无恐甚至恣意妄为,爱护环境保护生态仍然是人类与地球和谐相处中亘古不变的主题——因为我们赖以生存生机勃勃的地球,永远只有一个。

  —— E N D ——

  参考资料及图片来源:

  [1]Tsiaras A,Waldmann IP,Tinetti G ,et al.Water vapour in the atmosphere of the habitable-zone eight Earth-mass planet K2-18 b[J]. 2019.

  [2]高静. 生命起源前两亲分子的合成及自组装[D].

  [3]奇云. 生命选择了水——探索生命的起源[J]. 生命世界, 2006(12):24-27.

  原始地球.jpg

  https://p0.ssl.qhimgs1.com/sdr/400__/t018ef1d9567de7eefe.jpg

  超级地球模拟图.jpg

  http://www.txwb.com/xt/UploadFiles_2901/201611/2016112112235302.jpg

  浩瀚的银河系.jpg http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180405/d71af7fa637c4f63ba9d0985253f3dea.jpeg

  我们赖以生存的地球.jpg http://file06.16sucai.com/2016/0525/b20bd84754c95b700cd7bc12149e7cae.jpg

  部分图片来自网络

  撰稿:刘晓豪

  美编:麦李婷

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