如果地球變成“超級地球” 是否還能依然宜居?
在將近四年的時間裡,美國國家航空航天局(NASA)的開普勒空間望遠鏡一直在繞行太陽的軌道上,觀測我們所在的銀河系角落。它監測了超過15萬顆恆星,致力於尋找其他恆星系中與地球差不多大小的行星。開普勒任務沒有讓人失望,截至2018年,天文學家發現了超過18000顆候選系外行星,大約3800顆已被確認,其中有2325顆由開普勒空間望遠鏡發現。在這些系外行星中,有許多就被稱為“超級地球”。
這些遙遠的行星可能會讓你想起我們的家園——地球。它們都是由岩石構成,比氣態巨行星小得多,而且位於母恆星附近,大氣相對稀薄。不過,這些行星比藍色的地球要大得多,體積通常比地球大2到10倍。
如此眾多的超級地球引出了一個問題:如果我們的地球是現在的兩倍甚至十倍大小,會發生什麼?這對生命又意味著什麼?
美國加州大學聖克魯斯分校研究行星形成的博士研究生米基·羅森塔爾(Mickey Rosenthal)表示,地球和太陽係其他內行星(火星、金星和水星)原本可能正朝著這個方向發展。他指出,有一種理論認為,由於氣態巨行星木星的體積過於巨大,以至於切斷了內行星獲取宇宙物質的途徑,使得它們的體積無法變得更大。
無論造成地球如今體積的原因是什麼,我們都無法真正了解如果它變成超級地球會發生什麼。不過,基於對遙遠類地行星的了解,科學家提出了一些想法。
如果我們生活在超級地球上,首先,你會變得更矮——不止是你,珠穆朗瑪峰和加州國家公園的每棵巨樹也同樣如此。這是因為,如果一顆行星的體積增加,而其他一切保持不變,那它的重力也會相應增加。如果地球的大小是現在的兩倍,那你的重量就是現在的兩倍,因為地心引力對你的拉力是現在地球的兩倍。你需要更多的能量來抵抗地心引力,而人類今天的身體結構還沒有強大到足以保持原來的身高。
美國華盛頓大學研究行星適居性的科學家羅里·巴恩斯(Rory Barnes)表示,隨著行星體積的增大和引力場的增強,地球也會經歷更多的碰撞。他指出,作為一顆超級行星,更大的引力將使地球吸引更多、更大的小行星,因此“世界末日”式的碰撞事件將更頻繁發生,比現在更令人擔憂。
假設超級地球比現在的地球大10倍,那它的內部將發生巨大的變化。鐵核和液體地幔也會增大10倍,而隨著更多的重力作用在更大的物體上,地球表面下的壓力會增加。巴恩斯指出,這種高壓可能會導致鐵核固化。
就現在而言,地球的部分液體核心通過對流,產生了地球磁場。巴恩斯表示,如果地核固化,這種對流就會停止,磁場就會減弱或消失。如果地球磁場減弱或消失,那對地球上的生命來說將是滅頂之災。
磁場保護著地球上的生命免受來自太空的傷害。如果沒有磁場,太空中飛行的帶電粒子,又稱為太陽風暴,就將直接轟擊地球。巴恩斯指出,這些微小的輻射粒子會導致各種各樣的問題,比如破壞DNA,或增加癌症的風險等。
巴恩斯還指出,更大的內核可能使超級地球比現在的地球更活躍。隨著行星半徑的增大,其內部的能量會越來越多,而能釋放能量的地方會越來越少。因此,出現更多的火山爆發並不奇怪。在超級地球上,板塊構造也會不同,不過確切的影響仍是一個懸而未決的問題。更大的地幔也會更熱,可能會產生更強烈的對流,推動板塊運動。但另一方面,地殼有可能在高壓下完全融合在一起,使板塊構造運動不再存在。
從迄今為止科學家發現的超級地球來看,如果地球變成了一個超級地球,它是否適合居住還是一個問號。開普勒空間望遠鏡最擅長探測離恆星很近的行星——比地球離太陽近得多。科學家已知的大多數超級地球與其母恆星之間的距離,幾乎和水星與太陽之間的距離一樣近。
加州大學洛杉磯分校天體物理學副教授希爾克·施里希廷(Hilke Schlichting)表示,如果要與地球有可比性,超級地球的公轉週期需要大約100天。她指出,這樣的軌道距離如果適合生命存在,那該恆星系的母恆星需要比太陽小得多。如果我們的地球也離太陽這麼近的話,地球上所有的水都會蒸發。換言之,地球將脫離適居帶,本質上將變成一個蒸汽行星。
紐約市西蒙基金會計算天體物理中心的研究者羅德里戈·盧格(Rodrigo Luger)表示,令人驚訝的是,迄今為止發現的許多超級地球似乎都富含水,有的就像是“水世界”。他認為,這些行星可能由大塊的冰體形成,然後在向母恆星附近移動的過程中,導致它們的冰體融化。
然而,這些行星可能並不適合人類居住,因為它們的深海可能會形成一個堅固的冰層。盧格認為,這種冰層的形成不是因為低溫,而是由於超級深海的強大壓力形成的,這種壓力迫使水分子變成了固態。這個冰層阻隔了任何大氣與星球內部的相互作用,既沒有碳循環(地球的碳會在大氣、海洋和地殼之間循環流動),也沒有礦物交換(大氣和地幔之間的相互作用調節著地球的長期溫度變化)。至少對於我們所知道的生命來說是這樣,這些因素都進一步降低了適居性。
或許更現實的情況是,科學家對超級地球的疑問要比結論多得多。盧格說:“我們還沒有完全了解我們自己星球內部的物理機制,更不用說太陽系外的行星了。”的確,我們不知道如果地球體積變得過大,或者離太陽更近會發生什麼,但到目前為止,我們應該慶幸自己沒有生活在這樣的“超級地球”上。(任天)