【原】宇宙世界可能充滿了水蒸氣

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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現(xiàn)在我們知道要尋找什么了。

簡介：大氣對于行星表面溫度的調(diào)節(jié)的重要性不言而喻。研究發(fā)現(xiàn)，很多行星大氣都是水蒸氣的狀態(tài)并且能夠持續(xù)很多年。

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要不是有地球大氣層，我們就不會出現(xiàn)在這里。大氣層使我們免受宇宙射線致命的傷害，還調(diào)節(jié)了氣候，這恰恰似乎是太陽系外大多數(shù)地球大小的候選行星缺少的東西。

然而，根據(jù)最新發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上的一項(xiàng)研究，芝加哥大學(xué)和斯坦福大學(xué)的最新研究表明，宇宙中許多行星不僅可以發(fā)展成充滿水蒸氣的大氣層，而且可以長期保留它們。

這不僅加深了我們對行星形成方式的了解，還可以指導(dǎo)科學(xué)家繼續(xù)尋找太陽系外的類地行星。

1水蒸氣可能“長時(shí)間”控制著系外行星大氣

芝加哥大學(xué)的助理教授，芝加哥大學(xué)博客文章行星大氣演化專家埃德溫·凱特說：“模型表明這些熾熱的巖石系外行星，在某個(gè)階段是水導(dǎo)大氣，對某些行星來說，這可能要花很長時(shí)間?！?/span>

太空和地面望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)對系外行星進(jìn)行分類，科學(xué)家們正試圖辨別它們的外觀。通常，望遠(yuǎn)鏡可以向我們展示系外行星的物理尺寸、它與其主恒星間的距離以及（有時(shí)）行星的總質(zhì)量。

為達(dá)到更高的系外行星調(diào)查水平，科學(xué)家需要從太陽系中地球和其他行星收集到的數(shù)據(jù)中推斷出來。但令人驚訝的是，宇宙中最豐富的行星并不像肉眼可及的附近行星。

凱特在博客中寫道：“我們從開普勒任務(wù)中已經(jīng)知道，比海王星小一點(diǎn)的行星確實(shí)非常豐富，這令人驚訝，因?yàn)樘栂抵胁]有行星。我們不確定它們的成分，但有充分的證據(jù)表明它們是藏在氫氣氛中的巖漿球?！?/span>

2液體巖漿吞沒了海王星系外行星上的大部分水

許多較小的巖石行星也分布在宇宙中，但沒有厚厚的氫氣層讓人緊迫，這就是為什么科學(xué)家懷疑許多行星可能像氫斗篷的較大行星一樣，但隨著主恒星的誕生而失去初始大氣，吹走氫氣。

然而，這些模型在很大程度上仍然不完整。凱特和來自斯坦福大學(xué)的勞拉·謝弗一起研究了行星可能在熔巖海洋中窒息的情況。

凱特說：“液體巖漿實(shí)際上是流動的。”這意味著它可以像地球上的海洋一樣，對巖層進(jìn)行循環(huán)。此外，這些巖漿海洋可能正從大氣中除去氫，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而形成水，其中一些蒸發(fā)到大氣中，但更多的巖漿會被炎熱的巖漿吞噬。

后來，主恒星剝離系外行星的氫氣層后，水被抽出，成為大氣中的水蒸氣。在足夠長的時(shí)間軸上，這樣的行星會獲得富水層。

凱特說，在某些星球上，這一階段可能會持續(xù)數(shù)十億年。

3系外行星發(fā)光的陰暗面可能指向大氣

為了將這個(gè)想法付諸實(shí)踐，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡可以分析系外行星大氣成分的測量結(jié)果，尋找水的存在。但另一種方法間接尋找大氣跡象。由于這些行星中的大多數(shù)都被潮汐鎖定（就像月球到達(dá)地球一樣），因此它們的表面溫度是高度極化的，面向恒星的一面比“黑暗”的一面要溫暖得多。

這聽起來可能很嚴(yán)峻，但芝加哥大學(xué)的兩位校友，勞拉·克雷德伯格和丹尼爾·科爾，現(xiàn)在馬克斯·普朗克天文研究所為麻省理工學(xué)院工作，他們建議找到可以緩和系外行星溫度的大氣層，并在其周圍散發(fā)大量光熱。通過了解系外行星暗面發(fā)光的強(qiáng)度，我們可能會發(fā)現(xiàn)重新活躍分布熱量的大氣層。

對太陽系外的類地行星的搜索正在加速。而且，隨著詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡于今年晚些時(shí)候發(fā)射升空，我們可能很快就會發(fā)現(xiàn)自己被一堆充滿水的行星大氣淹沒。

相關(guān)知識

水蒸氣（也稱氛氣、蒸汽），是水（H2O）的氣體形式。當(dāng)水達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，水就變成水蒸氣。水蒸氣在空氣中是無色的。在海平面一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)為100°C或212°F或373.15K。當(dāng)水在沸點(diǎn)以下時(shí)，水也可以緩慢地蒸發(fā)成水蒸氣。而在極低壓環(huán)境下（小于0.006大氣壓），冰會直接升華變水蒸氣。水蒸氣之密度為 0.59764 千克/立方米（100°C/212°F，101330Pa）。