《SPACE ENGINE 太阳系附近的潜在宜居世界》中一些结论的出处

2023-08-25 18:17 作者:行星档案馆 0人读过 | 我要投稿

《SPACE ENGINE 太阳系附近的潜在宜居世界》是我做过的最长的视频，一共长达35分40秒。由于这个视频太难做了，只能分成两部分做，这就是为什么你们会看到两个视频。原本这个视频的标题叫做《SPACE ENGINE 宇宙绿洲——太阳系附近的潜在宜居行星》，做完上半部分发现用“宇宙绿洲”来描述视频中的行星好像不太准确（大部分视频中的行星有可能是一片荒芜之地，而不是“绿洲”），于是改成了现在这个名字。

做这个视频的想法来源是【KOSMO】太阳系之外有什么？当时搬运这个视频觉得讲太阳系周围行星系也许会有人看，于是就想做比这个视频更近一步的内容：专门谈谈太阳系周围恒星系中位于宜居带的行星。风格就参照油管大佬melodysheep做过的《宇宙奇观：异星世界之旅》。在做上半部分时，我才发现为什没有人去做这种类型题材的内容。原因之一就是有关这些系外行星的数据天文学家掌握的并不多，并不能得出一些精确的结论。就比如说被一些营销号吹爆的一颗距离地球最近的行星：比邻星b，天文学家目前只知道关于它的两个确切数据：公转周期和与母恒星的距离。由于从地球上无法观测到这颗行星凌日，所以无法用詹姆斯·韦伯太空望远镜去观测它是否存在大气。这颗行星真实的状况究竟是什么样？只能等有朝一日，人类的探测器飞到比邻星时才能揭晓。关于这颗行星的具体研究可以去油管看一个名叫Launch Pad Astronomy的youtuber的这期视频：Could life exist around red dwarf stars?（该youtuber在B站也有账号，名叫@LaunchPad天文。不过我说的这个视频作者没有搬运过来）。

第二的原因是位于太阳系周围恒星系中宜居带的行星大部分都是围绕红矮星运行的行星。结合第一个原因就是视频中所出现的行星类型是单调的从而导致内容没有什么讲的，位于红矮星宜居带中的行星都是一样的套路：母恒星脾气暴躁，行星被潮汐锁定。于是这个视频的内容定位由一开始像《宇宙奇观：异星世界之旅》中的那样展示宇宙风景的视频变成一个看似展示宇宙风景，实则探讨红矮星系统中宜居性问题的视频。这种长篇大论系谈外行星的视频在油管上并不少，但在B站还是头一回有。因为这个视频中的画面大部分都来自一个叫做SPACE ENGINE的游戏中，所以我在标题加上了“SPACE ENGINE”。

油管上有大量这种长篇大论谈系外行星的视频。不过B站的观众也许并不喜欢这类视频。他们更喜欢展示宇宙风景的而不是解释宇宙风景的视频。

B站的观众也许更喜欢展示宇宙风景的而不是解释宇宙风景的视频。所以做这类视频流量注定不高。但为了讲大热的Trappist-1行星系，我有始有终地把下半部分给做出来。在做Trappist-1行星系部分视频时，我放弃了剪辑NASA制作的有关Trappist-1视频，而是用SPACE ENGINE来模拟视频所要的画面。原因就是我做视频的理想之一就是能像melodysheep独自做出视频画面而不是去剪辑别人视频的画面，其次突然剪辑NASA制作的Trappist-1视频与我的视频画面不一定匹配。这使得我的这个视频成为NASA和melodysheep之后，再一次系统的描绘Trappist-1行星系景象的视频。在查阅Trappist-1行星系相关资料后，我发现这个行星系并没有melodysheep所展示的那么美好。Trappist-1是一颗具有中度到高度的恒星活动，释放极紫外线辐射足以周围行星的大气层消失殆尽。更糟糕的是，这种状态可能持续了数亿年至20亿年。在这么久的时间内，即使周围的7颗行星曾经拥有宜居的环境，比如存在大气和水，也会荡然无存。Trappist-1行星系缺乏向行星后期输送水的彗星，这些行星一旦早期失去宜居的物质，后期就很难得到补充。这意味着Trappist-1行星系的七颗行星都有可能成为不毛之地的死星。

就向之前的文章中我所说：我本人并不是科学家，并不能通过科学研究得出结论。我只是科学研究结论的搬运工。所以视频中的一些结论来都不是我乱讲的，即使引用的不合理，它们也是来自维基百科和谷歌学术中的论文。下面我将给出视频中的一些结论的出处。

——“罗斯128b可能位于宜居带的内边缘，在这颗行星上，永昼和永夜都会产生更多更强的飓风。”

这个结论来自于《Hurricanes on tidally locked terrestrial planets: fixed surface temperature experiments（潮汐锁定类地行星上的飓风：固定表面温度实验）》。这篇论文探讨了 M 型主序星周围被潮汐锁定的类地行星形成飓风的可能性和条件，作者发现飓风可以在行星上形成，但不是在所有行星上。对于老年M型主序星宜居带内侧边缘的行星，昼夜两侧的飓风数量更多，强度更大。对于位于宜居带中央和外侧的行星，形成飓风的可能性很低。只有当大气成分与地球相似时，基于地球的飓风理论才适用于潮汐锁定行星。然而，如果大气比 H2O 轻，则很难产生飓风。

——“……厚厚的水云产生将增加行星的反照率并降低地表温度，这意味着更高的日照会带来更强的对流，因此会产生更高的反照率。这一稳定的气候反馈会减少甚至完全扭转昼夜面的温差对比。”

这个结论来自于《STABILIZING CLOUD FEEDBACK DRAMATICALLY EXPANDS THE HABITABLE ZONE OF TIDALLY LOCKED PLANETS（稳定的云反馈极大地扩大了潮汐锁定行星的宜居带）》。这篇论文研究了云如何影响 M 型主序星周围潮汐锁定行星的气候和宜居性，研究发现由于稳定的云反馈，潮汐锁定行星可以在两倍于以前研究发现的恒星通量的条件下宜居。这极大地扩展了宜居带，使围绕红矮星运行的宜居行星的频率增加了大约一倍。在高恒星通量下，强对流会在日下点位置附近产生厚厚的水云，从而大大增加行星的反照率并降低表面温度。较高的日照会产生较强的日下点对流，从而提高反照率，使这一现象成为稳定气候的反馈。日下点的云层还能有效阻挡地表的外射辐射，减少甚至完全逆转永昼和永夜的热辐射对比。

——“GJ 357 d的大气和表面温度取决于其大气组成和地质活动。”

这个结论来自于《The Habitability of GJ 357d: Possible Climate and Observability（GJ 357d的宜居性：可能的气候和可观测性）》。论文描述了一个由三颗行星组成的系统，围绕附近的M 型主序星运行，其中一颗（GJ 357 d）位于宜居带，可能有液态水和适合生命存在的气候。作者模拟了GJ357 d维持表面宜居性的可能条件，并展示了行星模型以及GJ357 d的一系列模型（从水世界到类地行星模型）的合成透射、反射和发射光谱。如果采用与地球类似的排气速率（地球内部释放气体的速率），GJ 357 d 将是一个冰冻的岩石世界；然而，如果像地球上那样通过地质循环调节二氧化碳浓度，随着二氧化碳含量的增加，行星模型将显示出温和的地表条件。

——“这意味着行星上的植物无法获得足够的光子来维持高效率的有氧光合作用，这将导致生物生产力低下，产生的氧气无法在大气中积累到可检测水平，同时也抑制了高等生命出现的可能”。

这个结论来自于《Photosynthesis on habitable planets around low-mass stars （低质量恒星周围宜居行星的光合作用）》。这篇论文也在我的这个视频中【行星档案馆•深入解析】红矮星周围可能存在生命吗？被引用过。该论文研究了低质量恒星周围潮汐锁定行星上光合作用的困难或不可能性。结论是围绕小于0.2倍太阳质量的运行的行星可能在400~750纳米的光合作用有效范围内接收不到足够的光子来维持类似地球的生物圈。由于生物生产力较低，在围绕低质量恒星运行的宜居行星的大气中，生物分子氧很可能不会积累到可探测的水平【小于0.13倍太阳质量的安静的恒星更有可能拥有缺氧大气的宜居行星，这是因为通过含氧光合作用在大气中建立氧气的过程受到了抑制。大于0.13小于0.21倍太阳质量的恒星预计会拥有宜居行星，其中大气中氧气的积累是可行的，但达到现代地球的水平需要的时间尺度可能要长得多（可能超过宇宙的年龄），而且预测整体的生态系统中保留的碳量（NPP）要比地球的小。只要光子限制是唯一的决定因素，理论上质量大于0.21倍太阳的恒星周围的宜居行星能够维持与地球相同生产力的生物圈】。

——“耀斑会使恒星变得更亮，从而使光合作用效率得到提高……行星上的生命也许能发展出某种保护自己免受耀斑伤害的机制”

这个结论来自于1.《Photosynthesis on a planet orbiting an M dwarf: enhanced effectiveness during flares（围绕 M 型主序星运行的行星上的光合作用：耀斑期间的效率增强率）》&

2.《Efficiency of the oxygenic photosynthesis on Earth-like planets in the habitable zone（位于宜居带的类地行星上有氧光合作用的效率）》。

论文1研究了M 型主序星耀斑期间周围行星上的光合作用效率的增强率，研究结论是M 型主序星光合作用的效果比地球上要差得多，因为它们发出的可见光较少，紫外线较多，而紫外线会破坏光合色素。对于一颗中M光谱类型的耀斑恒星来说，在母恒星的宜居带中的光合作用效能要比地球上的低 10 倍。而对于一颗具有晚期M型光谱型的耀斑恒星来说，光合作用的有效性要比地球上小100倍或更多。其次，利用耀斑期间入射到宜居带中行星上的光子，光合作用效能会比静态值增加 5-20 倍。对于中期M光谱型的耀斑恒星，耀斑期间的光合作用效率可以增加到地球数值的50-60%。然而，对于一颗晚期M型耀斑恒星来说，即使在耀斑期间，光合作用的有效性仍然比地球上的小几乎一个数量级。因此，地球上接收到足够光合作用有效光子（例如）在 3 个月内完成的生长季节，在耀斑星行星上则需要大约 5 年时间。论文还提出，对于 M 矮星上的生命来说，恒星活动周期（决定耀斑的频率和强度）可能比轨道周期对生物节律更为重要。与萨根（Sagan，1973）关于恒星耀斑对生命负面影响的悲观结论相反，这篇论文提出相反的结论可能值得探索：耀斑可能在驱动 M型主序星周围宜居带的行星上的光合作用中发挥重要作用。

论文2的作者根据母恒星的类型和距离，估计行星从适合有氧光合作用的波长范围内的辐射中获得的光能和有用功。他们使用理论模型计算了有效温度在 2600 ~ 7200 K 之间的主序星的数量，其中包括银河系中的大多数恒星。作者还将他们的结果与一小部分已知类地行星的估计值进行了比较。论文发现，温度越高的恒星，有氧光合作用的效率越高，因为它们发出更多的可见光和更少的紫外线，而紫外线会损害光合色素。论文还发现，效率取决于恒星与行星的距离，这决定了行星接收到的辐射量。该论文的结论是，低温恒星周围系外行星上的生物圈可能普遍受到光子的限制，这意味着它们没有足够的光能来支持复杂的生命。