恒星质量决定类地行星的海洋有多深和宜居性?

2015-10-24 10:57 作者:admin 来源:
最近,清华大学地球系统科学研究中心田丰教授研究发现含水量接近地球的类地行星存在于红矮星宜居带内的概率极低,因此太阳类型恒星才是搜寻宜居行星的最佳目标。2月16日在《自然-地球科学》(Nature Geoscience)上发表了以田丰为第一作者和通讯作者的题为“红矮星周围类地行星的水含量”(Water contents of Earth-mass planets around M dwarfs)的研究论文,东京理工学院地球-生命研究所的井田茂教授是该论文的另外一位作者。

  太阳附近的恒星大多是小于0.5太阳质量的红矮星,因为质量和体积小,这些恒星周围的宜居行星更容易被视向速度法或掩星法发现,因此目前美国NASA已批准主要目标是红矮星的系外行星搜寻计划TESS。但是田丰教授和井田茂教授有不同的看法。

  太阳类型恒星在其形成后的最初一亿年内的亮度变化不大;与此对比,红矮星的亮度在这一阶段可以减少10倍以上。此前还没有人研究红矮星的亮度变化对类地行星水含量的影响。田丰和井田茂对不同质量的前主序恒星周围类地行星的形成和水含量演化开展了计算机模拟。

上面二图分别显示0.3和1太阳质量恒星宜居带内不同水含量的类地行星的个数。两条竖虚线表示金星和地球的大气和海洋水含量。不同颜色的条带表示不同水逃逸的情形。从二图的对比可以看出恒星质量对类地行星水含量的决定性影响:太阳类型恒星宜居带内出现水含量接近地球的类地行星的概率比红矮星宜居带出现类似行星的概率高10到100倍。

  计算结果发现:在1000颗0.3太阳质量恒星周围存在6万9千颗行星,其中5千颗的质量在0.1到10地球质量范围,这些类地行星中55颗位于恒星主序阶段的宜居带内;而这些行星中有31颗海洋行星,23颗沙漠行星,只有1颗水含量接近地球。

  在1000颗0.5太阳质量恒星周围存在7万5千颗行星,其中9千多颗是类地行星,类地行星中292颗位于恒星主序阶段的宜居带内;而这些行星中有60颗海洋行星,220颗沙漠行星,另外12颗水含量接近地球。

  与此对比,在1000颗1太阳质量恒星周围存在3万8千颗行星,其中8千颗是类地行星,类地行星中407颗位于恒星主序阶段的宜居带内;除掉 91颗海洋行星和45颗沙漠行星,这些行星中的绝大多数(271颗)是水含量接近地球的类地行星。因此太阳类型恒星宜居带内出现水含量接近地球的类地行星的概率比红矮星宜居带出现类似行星的概率高10到100倍。

  造成上述情况发生的原因是红矮星周围初始水含量接近地球的行星因为过高的恒星辐射而严重脱水变为沙漠行星;而红矮星周围的海洋行星虽然也脱水,但是因为初始水含量过高而难以降低到地球值范围。

  行星宜居性和类地行星水含量的关系很大:如果行星水含量过低,生命无法生存,金星是这种沙漠行星的最好例证;但是行星水含量过高也不利:如果行星质量的百分之一以上是水的话,平均海洋深度将超过100公里,无法形成陆地;这种海洋行星的气候很不稳定,而且生命所需营养成分的供给严重不足。因此田丰和井田茂认为太阳类型的恒星才应该是搜寻第二个地球的主要目标。论文还指出未来关于类地系外行星的密度和多波段大气光谱测量将能够区分海洋行星、沙漠行星和水含量类似地球的行星。