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流浪系外卫星：宜居性探索新前沿

03-24 22:28 来自北京

系外卫星宜居性研究新方向

这张由人工智能生成的插图展示了一颗卫星围绕一颗流浪行星运行。最新研究表明，某些演化路径下，围绕流浪行星运行的卫星可能具备足够的温度维持液态水存在。此外，这些适宜生命存在的条件可能持续数十亿年。在合适的条件下，这类卫星上甚至有可能孕育出复杂生命。图像来源：D。DahlbäckChatGPTDALLE

银河系可能包含数十亿颗自由漂浮的行星，根据一些研究估算。这类行星也被称为流浪行星，它们在星际空间中独自运行，不依附于任何恒星。许多这样的行星如同其他行星一样，是在恒星周围形成的，因此可以合理推测它们也可能拥有卫星。

摄影：【Marek Pavlík】 / Unsplash

通常，流浪行星会因行星之间的相互作用或恒星近距离飞掠而被抛出其原有系统。在某些情况下，行星科学家认为它们也可能像恒星一样通过气体云的直接坍缩形成，因而可能自诞生起就未曾围绕任何恒星运行。无论其形成机制如何，若宇宙中存在大量此类自由漂浮的行星，则其中部分极有可能拥有系外卫星。

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尽管在寒冷的太空真空中漂浮数十亿年似乎不利于生命在这些天体上出现和演化，但最新研究表明，情况未必如此。流浪行星本身可能过于寒冷，但其卫星却可能保持温暖。事实上，在适宜条件下，复杂生命甚至可能在这些系外卫星上演化，至少在理论上是可行的。

摄影：【Viktor Mindt】 / Unsplash

《皇家天文学会月刊》上发表的一项新研究解释了这一现象。该研究题为《围绕自由漂浮行星运行的、以氢气为主的大气层且受潮汐加热的系外卫星的宜居性》，第一作者是德国慕尼黑路德维希马克西米利安大学物理系博士研究生大卫达尔布丁。

摄影：【NASA Hubble Space Telescope】 / Unsplash

生命需要液态水，而液态水需要热源。因此，若系外卫星要孕育生命，就必须有热源。在没有恒星提供热量的情况下，热源可来自另外两种途径。我们太阳系中的一些卫星就展示了这一点。

尽管距离太阳非常遥远，木星的卫星木卫二和木卫三被认为均拥有地下海洋。木卫二的冰层之下海洋能够保持液态，主要得益于潮汐形变产生的热量；而木卫三则主要依靠放射性衰变所产生的热量维持其地下海洋的液态状态。类似的加热机制也可能使流浪行星及其卫星维持内部温度，从而支持地下海洋的存在。

在本研究中，作者重点关注围绕曾属于某恒星系统的行星运行的系外卫星。他们模拟了26，293颗地球质量级的系外卫星围绕木星质量的自由漂浮行星运行的情形。地球尺度的卫星之所以重要，是因为质量较小的卫星在潮汐形变过程中产生的热量较少；同时，其引力也较弱，难以维持足够厚的大气层。因此，类地系外卫星代表了一种较为理想的潜在宜居情形。作者写道。

当一颗流浪行星被抛出其原属的恒星系统时，其卫星通常会进入围绕该流浪行星的偏心轨道，除非它完全脱离了轨道束缚。这一点是本研究的关键所在。

作者写道：围绕自由漂浮行星（FFPs）的系外卫星可以在其宿主行星被抛射后依然存续。此类抛射过程可能增大它们的轨道偏心率，从而在缺乏恒星能源的情况下产生显著的潮汐加热。

潮汐加热可以非常有效，正如木卫二（欧罗巴）所展示的那样。它与其两颗姊妹卫星——火山活跃的木卫一（伊奥）和巨大的木卫三（盖尼米德）处于轨道共振状态。这种共振使其轨道保持偏心率，而这正是潮汐加热的关键所在。当它在绕木星运行过程中时而靠近、时而远离时，木卫二会反复受到挤压和释放，由此产生的摩擦生成热量。据信，这些热量足以维持其冰层下方一个巨大的液态水海洋。

正如木卫二所揭示的那样，即使没有恒星提供的能量，一颗系外卫星也能通过内部机制持续产生热量，时间可达数十亿年。

无论热源如何，要使生命得以存在并演化为复杂生命，围绕流浪行星运行的系外卫星都需要依靠其大气层来维持热量，正如地球所做的那样。

在地球上，大气中碳含量越高，所保留的热量就越多。然而，地球主要依靠太阳加热，而系外卫星并不接收恒星辐射。以往研究显示，富含二氧化碳的大气层可能使系外卫星保持足够温暖，维持液态水长达16亿年。但在系外卫星极端寒冷的环境中，二氧化碳最终会凝结并沉降到表面。如果这一时间尺度是准确的，那么对于复杂生命的发展而言，这时间仍不足以支持其演化。

但这项研究表明，大气成分仍可能帮助系外卫星保持热量，而关键并非因其富含碳，而是氢气的作用。

研究人员发现，某些受潮汐加热作用的系外卫星大气层可能演化为富含氢气的大气层，这类大气在足够长的时间内可有效保温，从而为复杂生命的出现提供可能。尽管氢气本身不像二氧化碳那样具有强红外辐射吸收能力，但在足够高的大气压力下，其物理性质会发生变化。此时一种被称为碰撞诱导吸收的机制开始发挥作用：在高压环境下，氢分子被迫相互靠近，形成短暂存在的分子复合体，这些复合体能够吸收红外辐射，阻止其逃逸至太空。

研究人员发现，碰撞诱导吸收可以捕获足够的热量，维持地表液态水长达43亿年，这与地球当前的年龄非常接近。地球上复杂生命在寒武纪大爆发期间出现，大约是在5亿年前。因此，如果一颗系外卫星能够保持温暖43亿年，就有可能存在复杂生命出现的可能。

在本研究中，潮汐拉伸引起的加热与冷却作用，其意义不仅限于维持液态水的存在。生命的起源需要复杂有机分子的形成，而水的蒸发—冷凝循环正是驱动此类分子形成的一种机制。由强烈潮汐作用引发的干湿循环，结合溶解氨（NH₃）所带来的碱性环境，可能为RNA聚合反应创造有利条件，从而支持生命起源。研究人员在其论文中如此阐述。

在一份新闻稿中，第一作者达尔布丁指出，在具备生命支持条件的地球上，小行星可能曾起到助推作用。我们发现这些遥远的卫星与早期地球之间存在明确关联：小行星撞击带来的高浓度氢气可能创造了生命诞生所需的环境，他在新闻稿中表示。在地球早期的冥古宙时期，小行星撞击带来了铁元素，在极端高温高压条件下，这些铁与海洋中的水发生反应，从水分子中剥离出氧原子形成氧化铁，而氢则留在大气中。达尔布丁并未断言同样的机制会在系外卫星上发生，因为若缺乏小行星带作为来源，这种情况可能并不常见。但这一发现表明，富含氢的大气环境可能在生命最终出现的过程中发挥了作用。

目前尚未发现任何已被确认的系外卫星。仅有少数几个候选体展现出一些引人关注的迹象，例如开普勒1625bi和开普勒1708bi。

这张艺术家绘制的示意图展示了系外行星开普勒1625b及其潜在的系外卫星开普勒1625bi。这是迄今发现的首个系外卫星候选体，观测数据显示该卫星的质量约为海王星质量，而其主行星的质量则达数倍木星质量。该系统并非自由漂浮，背景中可见其绕行的恒星。图片版权：欧洲航天局哈勃空间望远镜，知识共享署名4。0国际许可，commons。wikimedia。orgwindex。php？curid73369715

就围绕流浪行星运行的系外卫星而言，相关发现更为稀少。目前尚无确认的流浪行星，仅有数百个候选体，但这一数字仍存在一定不确定性。我们根本无法直接观测到它们，因此要发现围绕流浪行星运行的系外卫星就更加困难。

南希格蕾丝罗曼太空望远镜发射升空后，将带来诸多新发现。据估算，该望远镜有望通过引力微透镜效应发现数百颗流浪行星，同时也具备探测部分系外卫星的潜力。

罗曼空间望远镜应能探测到围绕流浪行星运行、质量约为木卫三（太阳系中最大的卫星）一半的系外卫星。若开展专门针对系外卫星的凌星搜寻，部分估算认为，它有望发现约十余颗大小与土卫六相当、环绕自由漂浮行星运行的系外卫星。该望远镜甚至有可能发现一个完整的此类系外卫星群体，尽管这一预期较为乐观。

探测自由漂浮行星（FFP）的系外卫星是一回事。但即使我们在未来几年内成功做到这一点，要理解它们的大气层可能仍需很长时间。若缺乏对大气层的认识，我们便无法判断其是否具备宜居性。

这些潜在的宜居卫星可通过多种技术进行探测，例如其所属流浪行星的凌星现象或微引力透镜效应。甚至通过直接观测火山热点，也能验证其是否缺乏浓厚的大气层。

另一方面，验证和分析大气层可能无法通过目前任何在役仪器实现。