灰尘如何使系外行星更适合居住

英国科学家的一项新研究表明,大气尘埃可以提高某些系外行星的可居住性,尤其是绕红矮星飞行的行星。

在黑背景的三个多彩多姿的地球,其中每一与许多微小的风向箭头。

三个计算机模拟,描述了风如何传播岩石尘埃系行星(如地球)上的尘埃。图片来自Denis Sergeev /埃克塞特大学/ ScienceAlert.

是什么使地球适合居住?各种因素都会影响地球’维持生命的能力,例如温度,水量,行星及其大气层的组成以及来自恒星的辐射量。上个月,英国的研究人员 说过 他们’我们发现大气的共同组成部分– dust – could 在 crease the 适居性 一些系外行星。

同行评审 结果是 已发表自然通讯 2020年6月9日。

这是一个重大发现,因为它表明,大气中充满大量尘埃的行星可能具有比以前认为的更远离恒星的宜居环境。实际上,这将扩大 宜居地带,基本上是恒星周围的区域,岩石上的温度可能会使液态水存在。

来自埃克塞特大学,气象局和东英吉利大学(UEA)的研究人员参与了这项新研究。

不同的色环和带有箭头和文本注释的深蓝色背景上的白色正方形。

尘埃对行星气候的影响。对于潮汐锁定的行星(a)和非潮汐锁定的行星(b),面板a–d显示了行星的基本状态,e–h显示了短(恒星)和长波(红外)强迫灰尘和i–j引起的(表面能平衡的变化)表明了强迫对表面温度的影响。蓝色箭头表示行星围绕恒星的运动,绿色箭头表示行星相对于恒星的旋转。图片来自Boutle等人/ 自然通讯.

从本文:

识别我们太阳系以外的宜居行星是当前和未来太空任务的主要目标。然而,可居住性不仅取决于恒星的辐照度,而且同样取决于行星大气的组成部分。在这里,我们首次显示出具有辐射活性的矿物粉尘将对类地球系外行星的可居住性产生重大影响。

在我们自己的太阳系中,当我们想到尘土飞扬的世界时,通常会想到火星,但由于其极薄的大气层,它仍然是一个表面干燥而干燥的星球。但是对于某些系外行星,尤其是那些 潮汐锁定 对于他们的明星,情况可能会有所不同。 伊恩·布特(Ian Boutle)这项研究的主要作者,来自大都会办公室和埃克塞特大学的博士 声明:

在地球和火星上,沙尘暴对表面既有冷却作用,又有变暖作用,通常这种冷却作用胜出。但是这些“同步轨道”行星却大不相同。在这里,这些行星的阴暗面是永恒的夜晚,而制热效果胜出,而在白天,冷却效果胜出。其作用是缓和极端温度,从而使地球更宜居。

尘埃因子对于行星轨道而言尤其重要 红矮星 恒星,是我们银河系中最常见的恒星类型。这些恒星周围的许多行星很可能被潮汐锁定,行星的一侧始终面向恒星,就像月亮始终保持一侧面向地球一样。这些行星的一侧总是在日光下,而另一侧总是在黑暗中。如果灰尘很多,则可以帮助冷却白天较热的一侧,并为较冷的夜晚提供温暖。

与遥远的红色太阳的多云粉红行星和星在背景中。

艺术家’的概念是围绕一颗红色矮星的多云和岩石系外行星。如果行星被潮汐锁定,那么像这样的行星大气中的灰尘可能会缓和极端温度,从而使它们更适合居住。图片来自L.Hustak / J.Olmsted(STScI)/ 美国宇航局.

在一个有趣的场景中,灰尘可以帮助热行星保留其地表水(如果有的话)。像金星这样的真正热的行星可能会被大气中足够多的尘埃冷却。随着水开始流失在地球上,灰尘的数量会增加’具有讽刺意味的是, 负面的气候反馈,然后会减慢水分的流失。从本文:

在经过潮汐锁定的行星上,尘埃使白天凉爽,使夜晚凉爽,大大扩大了可居住区域。与轨道构型无关,我们建议通过涉及减少海洋覆盖范围和增加尘埃负荷的反馈,空中尘埃可以推迟行星行星水在宜居区域内边缘的流失。

行星从恒星获得的能量是评估宜居性的重要部分,但是 玛诺·乔希(Manoj Joshi) 来自UEA 注意到的,包括灰尘在内的大气成分也非常重要:

空气中的尘埃可能会使行星适应居住环境,但也会使我们无法在这些行星上寻找生命迹象。这些影响需要在未来的研究中加以考虑。

研究人员对岩石大小的行星进行了一系列模拟,发现天然存在的矿物粉尘可能对此类行星的可居住性产生很大影响。

左侧为褐色地形的轨道视图,右侧为滚滚云状图案。

火星是一个尘土飞扬的地方,大范围的沙尘暴是常见的,但尘埃并没有’因为大气是如此稀薄,所以使地球变暖了很多。图片来自SA / Roscosmos / CaSSIS / CC BY-SA 3.0 IGO / 新科学家.

邓肯·莱斯特,他在整个学习过程中进行了一次大学实验(现在建立了自己的冲浪板), 说过:

It’很高兴看到我最后一年学习中的实践研究结果获得了回报。我当时正在从事一个引人入胜的系外行星大气模拟项目,很幸运能成为能够将其推向世界一流研究水平的团队的一员。

研究人员还指出,行星中的尘埃’寻找可能的地方时必须考虑到大气 生物标志物 在那种气氛中。这些生物标志物可能包括氧气,甲烷和臭氧等气体,如果还有足够的灰尘,灰尘可能会掩盖对它们的检测,从而产生假阴性结果。如果以这种方式错过了潜在的生物标记物,那么地球可能会被错误地描述为不可居住。此类生物标记物将在即将问世的太空望远镜(如James Webb太空望远镜)中进行搜索(西南科技大学)和其他方面,将是寻找太阳系以外生命证据的重要方面。由于到这些世界的距离太远,识别它们已经是一个挑战,因此了解行星大气中的灰尘量也将很重要。从本文:

尘埃的夹杂会明显掩盖模拟透射光谱中的关键生物标志物气体(例如臭氧,甲烷),这对观察结果的解释产生了重要影响。我们证明,未来对地球系外行星的观察和理论研究必须考虑尘埃的影响。

穿着西装,打领带的男人微笑着。

新研究的主要作者,埃克塞特大学气象局和埃克塞特大学的Ian Boutle。图片通过 谷歌学术.

内森·梅恩(Nathan Mayne) 来自埃克塞特大学(Exeter University)的研究协助了该研究,他还指出,天体物理学将在很大程度上发挥重要作用。他 说过:

只有跨学科,并结合先进的天体物理学方法,结合对研究我们自己星球气候的良好理解和技术,才能进行此类研究。为了能够使本科物理学生参与此项目和其他项目,也为与我们一起学习的人们提供了一个绝佳的机会,可以直接发展此类技术和协作项目所需的技能。拥有改变游戏规则的设施,例如JWST和 电子考试即将在不久的将来面世,并将为系外行星的研究提供巨大的飞跃,现在是学习物理学的好时机!

有关系外行星尘埃的新评估将对科学家们非常有益,他们将寻找适合居住的系外行星的生物标记和其他证据,以及研究尘埃如何影响行星’整体的气候和环境。

底线:大气尘埃可以增加某些系外行星的可居住性。

资料来源:矿物尘增加了地球行星的可居住性,但混淆了生物标记物的检测

通过埃克塞特大学

保罗·斯科特·安德森