太陽系外是否存在像地球這樣適宜居住的行星？在解答這個(gè)問題前，科學(xué)家首先要搞清楚，該行星是否具有可宜居性，而大氣是否長期存在尤為關(guān)鍵。若行星發(fā)生大氣逃逸，則會(huì)變得像火星一樣荒涼，不適宜生命居住。
近期，我國天文學(xué)家在該領(lǐng)域有新發(fā)現(xiàn)。他們通過巧妙使用恒星行星系統(tǒng)的基本物理參數(shù)，對(duì)行星大氣逃逸機(jī)制做出清晰的判定和分類，推進(jìn)了人們對(duì)行星大氣逃逸的認(rèn)識(shí)，為下一步研究行星可宜居性和行星大氣演化過程提供了理論依據(jù)。這也引發(fā)了大眾對(duì)尋找下一個(gè)可宜居星球等問題的新一輪思考。
太陽系行星早期，大氣會(huì)更猛烈地“逃跑”？
研究表明，恒星對(duì)行星大氣的加熱和潮汐力拉拽作用可以造成一種更猛烈的逃逸——流體動(dòng)力學(xué)逃逸。這是一種整體性的、猛烈的逃逸現(xiàn)象，也被稱為行星風(fēng)。
中國科學(xué)院云南天文臺(tái)研究員郭建恒介紹，2003年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在太陽系外行星HD 209458b上發(fā)現(xiàn)了行星風(fēng)的蹤跡。這種逃逸不僅每秒鐘可以損失數(shù)萬噸的物質(zhì)，還可以把行星大氣中較重的粒子，如氮和氧，也拖拽出行星的引力范圍，造成行星大氣中生命所需氣體的逃逸。
郭建恒說，當(dāng)前太陽系行星不會(huì)發(fā)生行星風(fēng)式的逃逸。但是，在太陽系早期遺留有行星風(fēng)存在的證據(jù)。對(duì)于地球、金星和火星而言，它們大氣中一些化學(xué)性質(zhì)不活潑的惰性氣體是太陽和行星形成的產(chǎn)物。探測發(fā)現(xiàn)，它們大氣中這些惰性氣體的含量頗為不同。美國科學(xué)家吉姆·卡斯汀等認(rèn)為，早期太陽系行星經(jīng)歷了行星風(fēng)的過程，從而導(dǎo)致了那些惰性氣體含量的迥異。
中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院崔峻教授介紹，早期類地行星上的行星風(fēng)逃逸也會(huì)改變行星的宜居條件。比如，相比地球，金星距離太陽更近，研究認(rèn)為早期金星上充滿了水蒸氣，大氣溫度達(dá)到幾千度。此時(shí)，金星上的行星風(fēng)可以在其剛形成的數(shù)千萬年內(nèi)帶走了它的海洋，最終形成我們今天看到的不宜居的金星。
地球會(huì)成為下一個(gè)火星嗎？
眾所周知，地球大氣遮蔽了來自太陽的紫外輻射，保護(hù)了地球的生命體。行星上大氣的存在是形成人類可宜居環(huán)境的基本條件。然而，地球大氣受到太陽輻射的加熱，因此總有一些粒子的速度可以超過地球的逃逸速度，就像我們發(fā)射的飛行器可以擺脫地球引力束縛一樣，逃逸到太空中。
20世紀(jì)初，英國天文學(xué)家詹姆斯·金斯提出，大氣中的原子和分子能夠從大氣層頂部一個(gè)一個(gè)地離開行星的束縛，逃逸到太空中，從而造成大氣的損失。這種逃逸后來被稱為金斯逃逸，也叫大氣蒸發(fā)。
郭建恒介紹，對(duì)行星而言，大氣中越輕的粒子越容易發(fā)生逃逸。在今天的地球上，金斯逃逸造成每秒大約3公斤氫和50克氦的損失。盡管金斯逃逸在太陽系行星中一直存在，但是行星大氣中的一些化學(xué)反應(yīng)放熱和太陽風(fēng)的侵蝕等造成的大氣逃逸才是目前太陽系行星大氣流失的主角。在地球和金星上，絕大部分氫的逃逸是由它們造成的，大約每秒有幾到幾十公斤的物質(zhì)流出行星。按照氫流失的速度，在太陽膨脹到可以吃掉地球之前（大約50億年），大氣總質(zhì)量會(huì)減少到不足目前的一半，大氣將會(huì)變得很薄。
有人難免提出擔(dān)憂，地球是否會(huì)變得像火星一樣荒涼？對(duì)此，盡管科學(xué)家目前沒有明確的答案，但也不必過于擔(dān)心。
郭建恒說，首先，除了太陽的加熱外，決定大氣是否會(huì)逃逸的另一個(gè)重要因素是行星的質(zhì)量。火星是比地球小得多的行星，它的大氣很容易逃逸。而對(duì)于地球，抓住大氣的能力比火星強(qiáng)很多。其次，地球大氣主要是比氫氣重很多的氮?dú)夂脱鯕饨M成，它們的流失率相對(duì)于氫更低。最終，地球受到磁場的保護(hù)可以抵擋太陽風(fēng)的侵蝕，從而使地球大氣在將來可以保留。
因此，天文學(xué)家認(rèn)為，在未來數(shù)十億年后，地球的大氣可能比現(xiàn)在更稀薄，但也許不會(huì)變得像火星那樣荒涼。
下一個(gè)適合生命居住的地球在哪？
浩瀚星際是否有適宜生命居住的另一個(gè)地球？科學(xué)家一直致力于尋找答案。
郭建恒介紹，這個(gè)所謂的“地球”對(duì)人類來說應(yīng)該是宜居的。一個(gè)宜居的行星，最重要的因素是上面要有液態(tài)水的存在。天文學(xué)家把行星上可以有液態(tài)水存在的區(qū)域（離恒星的距離）叫作可宜居帶，也就是說它們不能離恒星太遠(yuǎn)也不能太近。
宇宙中，除了和太陽相似的恒星外，還有很多比太陽大或者比太陽小的恒星。由于那些恒星溫度差異很大，圍繞著它們公轉(zhuǎn)的行星上，液態(tài)水可以存在的區(qū)域也不同。同時(shí)，這些可能宜居的行星應(yīng)該有陸地表面和大氣，否則也不適于人類生存。
天文學(xué)家希望，能從有陸地表面的行星大氣信號(hào)中探測到水和氧氣等代表可宜居環(huán)境的信號(hào)。郭建恒說，到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有幾十顆和地球差不多的宜居行星候選體。對(duì)其大氣的探測取決于它們的距離。目前發(fā)現(xiàn)的最近的太陽系外行星離我們也有幾個(gè)光年，探測它們大氣信號(hào)的難度可想而知。經(jīng)過數(shù)十年的努力，依然沒有確定的證據(jù)表明哪一個(gè)行星是宜居的。
最近，美國航天局官網(wǎng)發(fā)布消息稱，一個(gè)國際團(tuán)隊(duì)利用詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡在一個(gè)有巖石圈的行星上發(fā)現(xiàn)了可能由二氧化碳組成的大氣，但其表面溫度高達(dá)1500度，不適于生命存在。這樣的探索永不止步，包括中國在內(nèi)的各國科學(xué)家都在努力尋找下一個(gè)可宜居星球。（記者 嚴(yán)勇）