北大一研究探索太阳系外行星宜居性

    本报讯（记者陈竹）在太阳系外，是否还有其他适宜生命存在的星球？2013年12月30日，美国科学院院刊（PNAS）发表的北京大学物理学院大气与海洋科学系教授胡永云与其研究生杨军博士（目前在芝加哥大学从事博士后研究）的研究成果为回答这一问题提供了一种新的可能。

    这篇题为《海洋在决定红矮星附近宜居行星气候状态中的作用》的论文，对于认识系外行星适宜生命存在的可能性以及未来探测适宜生命存在的行星，有了新的发现：证明海洋热量输送能有效改变围绕红矮星运行的宜居行星的气候环境和宜居性，并能够极大地改变太阳系外行星适宜生命存在的空间模态。

    从1995年第一颗太阳系外行星被发现，到2013年12月28日，已有1056颗系外行星被确认（另有数千颗有待进一步确认），其中的12颗被认为是有可能适宜生命存在的。这12颗行星都是质量略大于地球质量的固态星球，通常被称为“超级地球”，“超级地球”重力较大，山峰较低，因此，行星表面完全被海洋所覆盖。

    对于这些“超级地球”而言，适宜类似地球生命存在的最关键条件，是其表面温度能否保证液态水的长期存在。能保证液态水长期存在的行星表面温度应介于约0~70°C之间，小于0°C，行星会完全结冰，没有液态水，例如太阳系的火星；大于70°C，行星则进入温室逃逸状态，液态水会完全蒸发、进入大气层并被光解，使氢原子逃逸到太空，例如太阳系的金星。

    胡永云则将研究目标选为红矮星附近的宜居行星。这是因为红矮星是宇宙中数量最多的恒星，占宇宙恒星总数的约80%，且辐射温度较低，为3500K左右；而且宜居行星距离其母星较近，易于被探测到，因此，人类很可能首先在红矮星附近发现宜居行星。

    胡永云的研究结果显示，在这些表面完全被海洋覆盖的行星上，大气和海洋自朝阳面向背阳面输送热量，不仅大气层不会在背阳面坍塌，水分也不会冻结在背阳面。相反，海洋热量输送还能够有效地扩大开放海域的面积（但背阳面因无法进行光合作用仍不适宜生命长期存在），并极大地改变宜居行星的气候空间模态。

    他们的研究还进一步表明，如果红矮星附近的超级地球确实是一个海洋世界，那么这类行星将只能位于红矮星附近相对狭窄的范围内。因为如果距离其母星太近，海洋热量输送将使得行星易于进入温室逃逸状态；如果太远，海洋热量输送容易使其进入全冰封状态。换句话说，海洋的存在将使得传统上认为的恒星周围的宜居带变窄。

    除了海洋热量输送外，他们的研究还考虑了洋流、海冰运动以及海冰-反照率与恒星辐射之间的反馈作用对宜居行星气候的影响。 

    在胡永云看来，研究海洋的气候效应是认识宜居行星气候状态非常重要的一步。虽然目前的天文探测技术还很难捕捉遥远的宜居行星上不同的气候状态及其空间模态分布，但他相信，随着探测技术的发展，在不久的将来，还是很有希望分辨出这些气候模态的空间分布，并根据这些不同的气候空间模态来识别系外宜居行星。