寻找外星生命:岩石如何影响系外行星的宜居性

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硅酸盐岩石的风化作用是保持地球气候温和的重要因素。由伯尔尼大学和瑞士国家行星研究能力中心(NCCR)领导的科学家们研究了这一过程的一般原理。

硅酸盐岩石的风化作用是保持地球气候温和的重要因素。由伯尔尼大学和瑞士国家行星研究能力中心(NCCR)领导的科学家们研究了这一过程的一般原理。他们的研究结果可能会影响我们如何解读来自遥远世界的信号——包括可能暗示生命存在的信号。

硅酸盐岩石的风化是所谓的碳循环的一部分,该循环在很长一段时间内维持地球上的温带气候。资料来源:Universität伯尔尼/伯尔尼大学,插图:珍妮·莱本古特

地球上的条件很适合生命,地球上的大多数地方既不太热也不太冷,而且提供液态水。然而,生命的这些以及其他条件,微妙地取决于大气的适当组成,过多或过少的特定气体(比如二氧化碳),地球就会变成一个冰球,或者变成一个高压锅,因此,当科学家寻找可能适宜居住的行星时,它们的大气层是一个关键组成部分。

有时,这种大气是原始的,主要由行星形成时周围的气体组成——就像木星和土星一样,然而,在像火星、金星或地球这样的类地行星上,这种原始的大气层消失了,相反,它们剩余的大气受到地表地球化学的强烈影响,岩石风化等过程改变了大气成分,从而影响了地球的可居住性。

由伯尔尼大学空间与宜居性中心(CSH)和NCCR行星研究中心的Kaustubh Hakim领导的一组科学家研究了这一现象究竟是如何发生的,尤其是在与地球条件截然不同的情况下。他们的研究结果于2021年3月11日发表在《行星科学》杂志上。

条件是决定性的

“我们想了解大气和行星表面之间的化学反应是如何改变大气成分的。在地球上,这个过程——水帮助硅酸盐岩石风化——有助于在很长一段时间内保持温带气候。”哈基姆解释道。“当二氧化碳浓度增加时,温度也会因为其温室效应而上升,更高的温度会导致更强的降雨,硅酸盐风化速率增加,这反过来降低了二氧化碳浓度,进而降低了温度。”该研究人员说。

然而,它在其他行星上却不一定以同样的方式工作,通过计算机模拟,研究小组测试了不同条件对风化过程的影响,例如,他们发现,即使在非常干旱的气候条件下,如果化学反应发生得足够快,风化作用也会比在地球上更强烈,根据哈基姆的说法,岩石类型也会影响这一过程,并可能导致非常不同的风化速率。研究小组还发现,与普遍的理论相反,在70°C左右的温度下,硅酸盐的风化速率会随着温度的升高而降低。“这表明,对于与地球条件非常不同的行星来说,风化作用可能扮演着非常不同的角色,”哈基姆说。

对宜居性和生命探测的启示

如果天文学家发现一个可居住的世界,它很可能在他们所谓的可居住带。这个区域是恒星周围的区域,在那里的辐射剂量可以使水成为液体。在太阳系中,这个区域大致位于火星和金星之间。

研究合著者、伯尔尼大学天文学和行星科学教授、NCCR行星研究中心成员凯文·亨指出:“地球化学对宜居带行星的可居住性有深远的影响。”研究小组的结果表明,温度升高可能会减少风化作用及其对其他行星的平衡作用。一个潜在的宜居世界可能变成一个地狱般的温室。

正如恒进一步解释的那样,了解不同条件下的地球化学过程不仅对估算生命的潜力很重要,而且对生命的探测也很重要。“除非我们对不同条件下地球化学过程的结果有一些了解,否则我们无法判断生物信号——比如去年在金星上发现的磷化氢——是否确实来自生物活动,”研究人员总结道。

参考:Kaustubh Hakim, Dan J. Bower,孟Tian, Russell Deitrick, Pierre Auclair-Desrotour, Daniel Kitzmann, Caroline Dorn, Klaus Mezger和Kevin Heng的《行星科学杂志》,2021年3月11日。
DOI: 10.3847 / PSJ / abe1b8

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