作者:马特·威廉姆斯，今日宇宙
这张快速碳循环图显示了陆地、大气和海洋之间的碳运动
信用:美国
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能源部/BERIS 太阳系外行星正在被快速发现——在3363个系统中有4531颗行星(另有7798颗候选行星等待确认)
其中，166颗被确定为岩石行星(也称为“类地行星”)，而另外1，389颗被归类为岩石行星，其大小是地球的几倍(“超级地球”)
随着越来越多的发现，天文学家的焦点正从发现过程转向表征
为了量化这些系外行星是否适合居住，天文学家和天体生物学家正在寻找检测生物标志物和其他生物过程迹象的方法
根据一项新的研究，碳硅酸盐循环的迹象可能是关键
在地球上，这个循环确保我们的气候在亿万年内保持稳定，这可能是在其他星球上发现生命的关键
这项名为“大质量类地系外行星的碳循环和宜居性”的研究是由阿姆斯特丹自由大学的三名地球科学家阿曼达·克鲁伊弗、丹尼斯·霍宁和维姆·范·韦斯特伦进行的
霍宁还是起源中心的研究员，该中心是一个位于荷兰的国家科学机构，致力于研究我们宇宙中生命的起源和进化
他们的研究最近发表在《行星科学杂志》上
在地球上，这个两步循环确保我们大气中的二氧化碳水平随着时间的推移保持相对稳定
在第一步中，二氧化碳通过与水蒸气反应形成碳酸而从我们的大气中移除，碳酸可以风化和溶解硅酸盐岩石
这种风化的产物被冲入海洋，形成碳酸盐岩，沉入海底，成为地球地幔的一部分
这是第二步开始发挥作用的地方
一旦进入地幔，碳酸盐岩就会熔化，产生硅酸盐岩浆和二氧化碳气体，后者通过火山爆发释放回大气
作为博士
霍宁通过电子邮件向《今日宇宙》解释说，这一过程也受到地表条件变化的影响: “重要的是，这一过程的速度取决于表面温度:如果表面变得更热，风化反应会加快，更多的二氧化碳可以从大气中移除
由于二氧化碳是一种温室气体，这种机制会冷却地表，所以我们有一个稳定的反馈
我们必须指出，这种稳定的反馈需要很长时间才能有效，大约几十万年甚至几百万年
" 一个关键的考虑是太阳是如何随着时间变热的
霍宁补充道
与地球早期历史相比，我们的星球现在从太阳获得的能量大约多30%，这就是为什么在遥远的过去大气中的二氧化碳水平更高
因此，可以有把握地说，随着一颗行星变老，风化会变得更加明显，大气中的二氧化碳水平在这个演化阶段会以越来越快的速度下降
艺术家对类地系外行星的印象
信用:美国宇航局/JPL-加州理工学院 因为这是一个简单的化学过程，所以没有理由认为碳硅酸盐循环在其他行星上不起作用——只要它们的表面有液态水
对于系外行星研究人员和天体生物学家来说，液态水的存在对于正在进行的寻找外星生命至关重要
板块构造的问题也被提出，因为随着时间的推移，这在维持地球的宜居性方面发挥着重要作用
博士说
霍宁: “在我们自己的太阳系中，只有地球有板块构造，因此也有俯冲
其原因并不完全清楚，也有待现代研究——可能与岩石成分、行星大小、表面温度有关，或者与表面本身存在液态水有关
“如果我们在系外行星上风化，但没有俯冲，产生的碳酸盐会在表面积累，并可能在数百万年后再次变得不稳定
我们在早期的工作中探索了这种情况，发现气候仍然会在一定程度上受到调节，尽管比本文假设的板块构造效率稍低
" 博士；医生
在研究板块构造和地质活动是否对生命至关重要时，霍宁和他的同事们并不孤单
近年来，类似的研究已经展开，考虑了被海洋覆盖的停滞的盖行星(表面和地幔由一个不活跃的板块组成)是否仍然有碳循环——结果令人鼓舞
为了他们的研究，博士
霍宁和他的同事们试图确定碳硅酸盐循环是否有可能在从“类地”到“超级地球”的其他岩石行星上发生
“为此，他们创建了一个模型，再现了地球的碳酸盐-硅酸盐循环，并考虑了所有相关的过程，包括内部演化、火山释气、风化和俯冲
然后他们考虑模型如何对大小和质量的变化敏感
“例如，由于重力较高，大质量行星内部的压力会随着深度的增加而更强烈地增加，”博士说
霍宁
“压力对熔化深度和地幔对流强度有影响，地幔对流强度决定了内部冷却速度
因此，我们更新了所有对行星大小或质量敏感的模型部分，因此可以探索这些参数对系外行星宜居性的影响
" 他们发现，质量的增加(达到一定程度)会导致更高的平均表面温度，从而改变被认为是地球外围的可居住区(也称为“金发区”)
博士说
霍宁: “我们发现，与地球年龄相当但质量大约3倍的系外行星应该具有更高的火山出气率，因为它们的内部温度要高得多，因此地幔对流更为剧烈
碳酸盐-硅酸盐循环仍然可以调节这些行星上的气候，尽管如此，我们预计表面会更热
因此，为了在行星表面保持液态水，行星和恒星之间的最佳距离比地球到太阳的距离要远一点
" 然而，当他们把一颗岩石行星的质量增加到地球的10倍(相当于大约2个地球半径)时，结果正好相反
“在这里，这些行星内部的压力如此之大，以至于火山活动和释放的二氧化碳变得更少，”他说
“然而，由于它们内部的热量没有有效地散失，所以在后来的进化过程中，二氧化碳的除气作用变得特别有效
不幸的是，恒星的光度也会随着时间的推移而增加，所以这颗行星可能会变得太热，任何液态水都无法存在
" 从这些结果中可以得出许多结论
首先，这项研究表明，大小和质量是行星宜居性的重要参数
与此同时，大小和质量是科学家目前能获得的极少数参数之一
与现有的检测手段一样——例如，Transit方法非常擅长约束这两个属性——科学家受到间接手段的限制，必须依赖推断和建模
然而，这两个参数对于限制哪些类型的岩石行星可能适合居住以及哪些不太可能支持生命仍然非常有用
更重要的是，它们显示了行星的年龄和质量如何在维持碳循环中发挥重要作用，因此也显示了行星的宜居性
通过综合考虑这些因素，科学家将能够更有把握地判断一颗行星是否“可能适合居住”
“作为博士
霍宁总结道: “我们论文的一个主要发现是，我们真的应该看看行星大小和年龄的组合，以获得关于宜居性的想法
地球大小的行星应该在很长一段时间内适合居住，但是它们的大气层当然比更大的行星更难描述
3倍于地球质量的行星(接收相同的恒星流量)应该比地球有更热的表面(差异~10K)
即使是质量更大的行星接受同样的恒星流量也会稍微冷一点，但是在它们的进化后期会明显变热
" 更重要的是，当下一代望远镜问世并能直接观测系外行星时，这项研究将是有益的
这是天文学家对即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)、南希·格雷斯·罗曼太空望远镜以及地面观测站如超大型望远镜(ELT)、巨型麦哲伦望远镜(GMT)和三十米望远镜(TMT)的期望
通过直接观察系外行星大气反射的光，天文学家将获得揭示大气化学成分的光谱
这项研究可用于未来的研究，将大气二氧化碳的检测置于适当的背景下
简而言之，天体生物学家将确定这是否是地质活动的迹象，因此可以解释为宜居性的可能迹象
这项研究的另一个令人鼓舞的方面是，即使在不同质量和大小的岩石行星上，碳酸盐-硅酸盐循环仍然是气候的有效调节器
如果科学家在系外行星上检测到这种循环的证据，他们可以放心，这表明潜在的可居住性，无论这颗行星有多大
“所以，我们可以对未来发现外星生命保持乐观
”博士说
霍宁
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