磁性行星

硅酸盐发电机可能在更多行星(包括更年轻的行星)中驱动磁场

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


系外行星科学和天体生物学花费大量时间关注类地行星如何演化。部分原因是为了更好地理解如何解读关于行星质量和测量半径等非常基本量的数据。这也是为了解读刚刚开始变得可行的关于大气成分的测量结果。但也许更重要的是,我们想知道一个世界如何支持能够反过来支持类似地球生命的生命的环境。

一个关键因素是行星能够维持富含水的地表环境以及相关的水文循环的程度。但是,虽然制造具有大量水的类地行星可能并不困难或不寻常,但让它们保持住这些水可能更困难。

一个关键因素与大气流失有关。如果水分子在像地球这样的行星的大气层中被提升到足够高的高度(例如),它们可能会被紫外线分解成氢和氧。氢气很轻,最容易永远流失到太空。因此,原始的水分子永远无法重新形成,行星会逐渐干涸。恒星活动,以紫外线、太阳风中的质子或日冕物质抛射的可怕 风暴前沿 的形式,可以将大气流失(尤其是氢)提升到严重程度。


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正是因为这个原因,天文学家和系外行星科学家一直在努力更好地理解质量最小的恒星(M 矮星)的行为。这些恒星是我们星系中最多的,它们拥有行星,并且这些行星的名义宜居轨道范围非常靠近这些低光度天体。但是 M 矮星在活动方面是出了名的脾气暴躁。坦率地说,它们是讨厌的小家伙。因此,人们怀疑,对于类地行星来说,长期维持其水预算可能非常具有挑战性

可能有所帮助的是强大的行星磁场的存在。它可能无法解决所有问题,但似乎可以通过 降低大气流失率 来减轻来自恒星宿主的带电粒子辐射的一些影响。

但是行星多久才能维持某种全球磁场所需的地球发电机(导电材料的内部循环)?答案是我们真的不知道。但是Stixrude、Scipioni 和 Desjarlais 最近在《自然》杂志上发表的一项研究为一种可能在非常年轻的地球上运行的机制提供了支持,并扩展到其他年轻的类地行星,甚至可能更大的超级地球世界。

简而言之,在地球上,有证据表明全球磁场可以追溯到大约 34 亿年前。但在那之前,富含铁、导电且仍然非常热的地核物质如何产生地球发电机的必要对流循环模式尚不清楚。但现在看来,地核周围的熔融硅酸盐层可能具有足够的导电性(比在更温和的条件下导电 100 倍),并且经历了冷却和对流的必要动力学来产生磁场。

年轻地球基底岩浆海中的这种硅酸盐发电机可以在最初的十亿年左右“填补空白”,直到铁外核能够接管。从而帮助行星保持其大气层和水。

以此类推,类似的硅酸盐发电机可能存在于其他年轻的类地行星中,包括那些遭受围绕 M 矮星运行的屈辱的行星。此外,更大的超级地球世界可能拥有更大量的内部岩浆海洋,因此可能更擅长产生硅酸盐发电机和磁场。

一个复杂之处在于,由于硅酸盐发电机是在较浅的循环物质区域中产生的,因此其磁场形式可能不同。也许偶极子状(南北)磁场不是最终结果。但地球的古地磁研究可能会揭示一些线索。无论如何,根据对其过去的假设,就排除行星成为在其他地方寻找生命迹象的探索目标而言,似乎为时过早。可能有一种以上的方法来建立磁屏蔽。

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