一位艺术家对迄今为止发现的各种系外行星的插图。（图片来源：NASA）一个围绕类似太阳的恒星的岩石行星可能看起来是生命繁荣的完美场所——但如果它太小而无法保住气氛，就不行。因此，我们可能会想：地球可以有多小，仍然拥有令人愉悦的可呼吸气氛？一个系外行星可以小到什么程度，才能维持我们所知道的生命？考虑到这些问题，加州大学河滨分校的行星科学家米歇尔·希尔及其同事最近模拟了不同大小岩石世界的气氛会发生什么。测试的世界与地球类似，围绕着类太阳星的宜居带运转。事实证明，为了让一个世界能够维持气氛足够长的时间，使生命获得立足之地（至少需要几十亿年），它需要至少和火星一样大。缩小搜寻生命的范围 宜居带——恒星周围的区域，温度适合液态水存在于行星表面——在寻找外星生命的过程中是最理想的地产。这对于系外行星的气氛来说也是一个艰难的邻里，因为越靠近恒星，辐射和星风就越会试图剥夺气氛。正因为如此，希尔和她的同事最近模拟了在类似我们太阳的恒星的宜居带中，不同大小的岩石状、类地行星需要多长时间失去气氛。换句话说，地球或类似行星可以小到什么程度，仍然保留气氛？答案是，一个能够维持气氛的行星需要大约与地球宽度的80%，但技术上可以小到60%。这为天体生物学家提供了一个线索，让他们可以集中精力搜索宜居世界及外星生命的迹象。“那么多的系外行星为寻找可能宜居的行星创造了一个有趣的挑战，”希尔和她的同事写道。“在他们的恒星宜居区中的众多目标中，哪一些是跟进观测的最佳候选，以期检测生物标志？”换句话说，天体生物学家现在几乎有太多的行星可供选择，而望远镜的观察时间却不足。因此，是时候缩小搜索范围了。缩小搜索范围的一种方法是确定哪些行星最有可能宜居——而对于我们所知道的生命来说，这种宜居意味着拥有气氛。新的系外行星，如那些环绕TRAPPIST-1的行星，正在以惊人的频率被发现。（图片来源：NASA戈达德太空飞行中心）模拟气氛——和火山 希尔和她的同事的“比地球小的宜居模型”模拟了围绕地球数字版本的气氛的命运。一些模拟的世界与我们的地球完全相同，但更小，具有相同的化学成分以及相同的核心、地幔和地壳比例。其他世界的碳含量略有不同，核心大小不同，或者起始温度不同。该模型基于两种因素追溯这些世界在几十亿年间发生的事情：恒星风和辐射从行星气氛中剥离气体的速度，以及火山排放气体（主要是二氧化碳）的速度。从模型中，团队意识到一个缩小版的地球需要至少与真实地球的80%（0.8个地球半径）一样宽，才能在长期内维持气氛。较小的行星往往失去气体的速度超过火山喷发排放气体的速度。这是因为较小的行星具有较小的引力和较弱的磁场，无法保住他们薄薄的气体外壳。它们通常也无法释放出足够的内部气体来弥补损失。它们的地幔——地壳下翻滚的岩浆层——随着时间的推移往往释放较少的火山气体，而其上层冷却和硬化的速度也更快。后者的过程在行星的生命周期中更早地切断了火山喷发。较小的行星抓住气氛 通过改变地球的一些参数，团队设法使得小至0.6个地球半径的行星能够维持稳定的气氛。碳是关键：地幔中含有更多碳的行星往往在喷发中释放出更多二氧化碳气体，而这被证明是决定一个行星是否保留气氛的最大因素（除了大小）。希尔和她的同事写道：“二氧化碳是一个重分子，这使得它成为一个难以失去的分子。我们将纯二氧化碳气氛作为气氛保留的最佳情况。”当然，这只是对一些相对简单生命形式的最佳情况，因此你对天体生物学的收益可能会有所不同。要使一个行星的气氛命运产生显著变化，所需的碳量远超地球所含的量——但因为理论上有可能形成含有那么多碳的行星，这为我们提供了有用的知识。