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大地平台手机版环球科学》寻找新地球:探测太阳系外大气

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  食人蜥蜴开普勒空间望远镜从4009年起,就老是在超过400000颗的近距恒星,观测当一颗从宿主恒星和地球之间经过时因为的恒星亮度下降。这个 太阳系外的凌星问提通常会使得一颗恒星的亮度下降万分之一。

  从经验丰厚的物理学家,到初出茅庐的科学记者,当时在场的每一当时人都不 会忘记1996年1月的那场新闻发布会。这场发布会是在美国天文法学会冬季会议上的召开的,美国州立大学的天文学家杰弗里?W?马西(Geoffrey W. Marcy)在发布会上发表声明,他和他的搭档、当时任职于美国加利福尼亚大学伯克利分校的R?保罗?巴特勒(R. Paul Butler)发现了围绕类太阳恒星转动的第二和第三颗。而在此的几次月前,大学的米切尔?梅厄(Michel Mayor)和迪迪埃?奎罗兹(Didier Queloz)曾发表声明,他发现了第一颗而且的——飞马51b(51 Pegasi b)。不过,刚发现飞马51b时,科学家还认为这你说而且偶然发现,机会甚至机会是个错误。在发布会上,马西机会都也能确信地说,这既都不 偶然也都不 错误,他告诉观众,“根本就不罕见”。

  这个 发现了天文学界。日后,机会科学家自认为寻找太阳系外过于困难,而且几乎不到 人搜寻它们。而现在,仅对几颗恒星进行搜索日后,天文学家就发现了三颗,这表明还有数十亿颗有待发现。

  机会巴特勒和马西仅仅是除理了另一个有关形成理论的问提,不到 我们歌词 歌词 的发现不要引起不到 大的轰动。事实上,我们歌词 歌词 的发现不仅证明太阳系外人太好占据 ,而且在哪几种的发现还机会回答另一个古希腊以来就老是困扰着哲学家、科学家乃至家的问提:我们歌词 歌词 在中否是孤独?

  在最初的欢庆日后,科学家决定弄清楚,如保也能查明在哪几种围绕一些恒星转动的上,到底有不到 哪怕是最原始的生命形式。机会至今科学家还不到 像电影《超光阴图片 接触》(Contact)中的朱迪?福斯特(Jodie Foster)那样,截获外星人发来的讯息,而且而且实现这个 目标,就不到在太阳系外的大气中寻找生命迹象,也而且高活性占据 的。例如氧气,除非有有一种可进行新陈代谢的生物体不断补充,而且氧气放慢就会消失。

  马西、梅厄和同事当年观测到的,仅仅是对宿主恒星的引力作用;要探测生命迹象,你都要直接对大气进行直接观测。为此,美国航空航天局计划,发射一系列更为强大的空间望远镜,而这个 计划的要素,则是在轨空间望远镜“类地搜索仪”(Terrestrial Planet Finder Interferometer)的发射,它将耗资数十亿美元,预计发射时间为21世纪20年代。总之,天文学家当时认为,对太阳系外大气的了解,绝都不 一时半会儿就都也能做到的。

  但我们歌词 歌词 错了。最初几颗太阳系外的发现,激励了整整一代的年轻科学家投身这个 领域,让这个 领域成为了物理学中最热门的研究方向。一起去,一些资深天文学家也转向了太阳系外的研究。众多优秀科学家的加入,为探测太阳系外的带来了全新的想法,也使这个 领域好快发展。到4001年,天文学家已在一颗太阳系外的大气中发现了钠。此后,又陆续发现了甲烷、甲烷乙炔气体体、一氧化碳以及水。通过研究太阳系外的大气,天文学家甚至还发现有间接的表明,一些机会要素是由钻石所组成的。“到目前为止,机会算上还不到 发表的结果,我们歌词 歌词 机会对400~400颗的大气有了一定的了解,”参与了一些开创性观测的、美国理工学院的物理学家希瑟?克努森(Heather Knutson)说。

  但哪几种发现还远不够以证明地外生命的占据 ——这从不奇怪,机会克努森所谈论的绝大多数都不 温度很高的类木,它们到各人宿主恒星的距离,比水星到太阳的距离都要近。不过,克努森及一些天文学家机会刚结束了了探测更多较小的太阳系外的大气。哪几种被称为“超级地球”,质量介于2~10个地球质量之间——即使在10年前,都不到 人会想过,会发现而且的。2013年4月,开普勒空间望远镜发表声明发现了两颗大小不够地球2倍的,它们的温度都允许生命占据 ,这个 发现暗示,生命宜居的人太好几滴 占据 。而且,人太好这两颗(被称为开普勒62e和62f)距离过于遥远而无法仔细研究,但天文学家还是相信,用不了多久,我们歌词 歌词 就能在类地的大气中寻找生命迹象。

  天文学家曾一度认为,要花几十年的时间也能刚结束了了观测太阳系外的大气,机会第一批太阳系外都不 间接发现的——天文学家观测到了它们对宿主恒星的影响。哪几种有一种是无法看见的,但机会恒星和绕着一起去的引力中心运动,的引力会使得恒星来回运动。当恒星朝我们歌词 歌词 运动时,它所发出的光会向可见光谱的蓝端占据 微小的偏移;当它远离我们歌词 歌词 时,它所发出的光则会向红端移动。偏移的程度都也能告诉天文学家这颗恒星的视向数率,即它朝向机会远离地球运动的数率有多快;反过来,这也能别问我们歌词 歌词 ,太阳系外的质量有多大。

  然而,寻找太阳系外的辦法 从不止这个 种。机会从地球上看,一颗不可见的轨道正好是侧向对着我们歌词 歌词 的,那它就会从宿主恒星的前面直接经过,这个 问提被称为凌星。不过,在第一批太阳系外被发现前的近20年,几乎根本不到 物理学家考虑过凌星问提,因为很简单,当时搜索太阳系外有一种仍占据 研究领域的边缘。[另一个值得注意的例外是,美国航空航天局艾姆斯研究中心的威廉?J?博拉基(William J. Borucki),他是开普勒计划的首席研究员,而正是开普勒空间望远镜,最终发现了数千个凌星。]

  时间来到1999年。当时在美国国家大气研究中心的蒂莫西?W?布朗(Timothy W. Brown)和当时在哈佛大学读研究生的戴维?夏博诺(David Charbonneau)在科罗拉多州博尔德市的另一个停车场里,架设了一台微型的、天文爱好者级别的望远镜,第一次观测到了太阳系外的凌星问提。这颗被称为HD209458b,早先由视向数率辦法 发现。几周日后,和马西一起去,美国立大学的格雷戈里?W?亨利(Gregory W. Henry)也就看了同一颗的凌星问提。机会一起去发表了探测结果,而且这个 个团队分享了发现权。

  成功观测到凌星问提不仅给天文学家提供了寻找太阳系外的第二条途径,还赋予了我们歌词 歌词 测量密度的有一种手段。视向数率法都也能测量HD209458b的质量。而在凌星问提中,机会恒星光线被遮挡的几次正比于的大小,而且天文学家们就能知道的物理体积。[用质量除以体积显示,人太好HD209458b的质量不到木星的71%,但它的密度却要比木星大38%。美国普林斯顿大学的物理学家亚当?巴罗斯(Adam Burrows)把这个 意料之外的结果称为“另一个有待解释的问提”。]

  到这个 日后,一大批物理学家意识到,利用凌星问提,你说都也能研究太阳系外的大气,克努森把这个 辦法 称为“非常聪明的辦法 ”。但事实上,在科学家首次观测到凌星问提日后,美国麻省理工学院的物理学家、当时与夏博诺一起去在哈佛大学读研究生的莎拉?希格(Sara Seager)就与导师迪米塔尔?D?萨塞洛夫(Dimitar D. Sasselov)发表了一篇论文,预言了当一颗正面经过宿主恒星,恒星光线穿过大气时,另一个观测者会就看哪几种样的情况(参见《环球科学》2010年第9期《太阳系外的超级地球》)。物理学家早已知晓,不同的原子和会吸收不同波长的光(这个 波长而且有一种的特性波长)。机会我想搜寻有一种,就都也能用它的特性波长来观测。机会只要富含这个 的任何大气,都不 吸收这个 波长的光线,而且大气会变得不透明,使得看上去更大。

  希格和萨塞洛夫提出,钠不得劲易于探测。“钠就像臭鼬的臭味,”夏博诺说,“只要有一些,你就能发现它。”他比任何人都清楚这个 点:4001年,夏博诺、布朗及其同事再次观测了凌星HD209458b,这次我们歌词 歌词 用的不再是爱好者用的小型望远镜,而且哈勃望远镜。正如预言的那样,我们歌词 歌词 很轻易地就探测到了钠的信号。

  天文学家们意识到,还占据 有一种补充性的辦法 来探测凌星的大气。当一颗从宿主恒星前方经过时,观测者就看的是它占据 深更深更半夜的一侧。在一些日后,它所呈现出的则大概是要素的向阳侧。而在它即将要转动到恒星后方时,其向阳侧则会朝向地球。尽管这颗宿主恒星要比它亮得多,但自身也会发光,且绝大要素集中在红外波段。

  然而,当运动到恒星顶端时,它所发出的光会老是消失;它对该系统总辐射的贡献也会终止。机会物理学家做另一个前后比较语录,我们歌词 歌词 就能推测出这颗有一种会是哪几种样子(见插图)。“这个 辦法 从根本上改变了我们歌词 歌词 面对的问提,”克努森说,“现在,我们歌词 歌词 要做的都不 在另一个非常明亮的东西互近,去探测另一个极为暗弱的东西,而而且监测信号随时间的变化情况。”早在4001年,当时在美国航空航天局戈达德航天中心的L?德雷克?戴明(L Drake Deming)把夏威夷莫纳克亚山上的红外望远镜对准了HD 209458b,旨在目睹这个 所谓的次食(secondary eclipse),但你说并不到 观测到这个 问提。

  不过,和夏博诺一样,戴明也知道,计划于4003年发射的斯皮策空间望远镜几乎都也能肯定能就看次食。这两位彼此互不相识的物理学家为此都申请了“斯皮策”的观测时间。我们歌词 歌词 都获得了一定的观测时间,并取得了数据。戴明回忆说,在那日后,大概在4005年初的一天,他收到了语音留言:“德雷克,我是哈佛大学的戴维?夏博诺。我听说你最近做了一些有意思的观测。你说我们歌词 歌词 该聊一聊。”

  结果,戴明(与希格企业协作)和夏博诺使用同一架望远镜,几乎一起去第一次观测到了次食。另一个团队一起去发表声明了我们歌词 歌词 对两颗不同恒星的观测结果——戴明团队的观测是已被广泛研究的HD209458b,夏博诺团队观测的则是TrES-1。一年后,戴明的团队还观测到了太阳系外HD189733b的次食。“这了用‘斯皮策’来观测次食的浪潮……”希格和戴明在2010年的一篇综述论文中写道,“准确地说,不到 人预料到,作为探测太阳系外大气的工具,‘斯皮策’有不到 强的能力和不到 惊人的影响力。”实际上,希格说:“我们歌词 歌词 现在使用‘哈勃’和‘斯皮策’的辦法 ,以及它们的观测精度,是当初建造这两台望远镜时所不到 的想到的。”

  希格说,哪几种研究向我们歌词 歌词 证明了一些东西。“在有一种程度上,这听起来平淡无奇,但我们歌词 歌词 发现类木星的温度人太好很高。我们歌词 歌词 测量了哪几种的亮度和温度”,而科学家观测到的结果与我们歌词 歌词 预期的、恒星对加热的效果是相符的。她继续说,“我们歌词 歌词 还探测到了一些。不到 ,现在我们歌词 歌词 所发现的否是与我们歌词 歌词 所预期的大相径庭呢?肯定都不 而且。”现在,物理学家都也能在一定温度下,利用一些元素,直接构建甲烷乙炔气体体球模型,而且分析最终会形成哪几种。“物理和化学规律是普适的,”希格说。

  然而,西格和一些物理学家也知道,尽管太阳系外的大气总体上相近,但每一颗在多个方面上都不 所不同。其中一些便是,温度是如保随着宽度变化的。一些,例如太阳系中的木星和土星,温度具有逆增性,即随着宽度的增加温度不降反升。另一些则不占据 这个 问提。“问提是,”克努森说,“我们歌词 歌词 并别问我是哪几种因为造成了温度逆增问提,如保我就门 也无法预言,哪几种太阳系外会机会不要具有而且的特性。”一些物理学家认为,具有逆温性的太阳系外机会富含一些吸热的,例如氧化钛,但到目前为止这还仅仅是另一个。

  科学家面临的而且问提是,一些的大气组成否是和一些所有不同。现任职于美国耶鲁大学的尼库?麦杜苏德汉(Nikku Madhusudhan)分析了太阳系外WASP-12b的可见光和红外信号,推测出这个 的大气的含碳量异常高,与氧元素相当。

  从理论上推测,机会在同一系统中,一些更小的上的碳氧比超过0.8语录(考虑到都形成于同另一个甲烷乙炔气体体和尘埃盘中,这是很有机会的),不到 哪几种就会形成由碳化物——富含碳的矿物——构成的“岩石”,而都不 我们歌词 歌词 太阳系中富含硅的硅酸盐岩石。机会这个 问提人太好占据 ,不到 WASP-12系统中一颗地球大小的你说就会由钻石构成。

  希格和当时人所撰写的论文提出,目前无法排除一些主而且由碳甚至是铁所构成的机会。然而,对于WASP-12而言,事情或许从不要到 。克努森说,马普天文研究所的伊恩?克罗斯菲尔德(Ian Crossfield)最近发现,来自WASP-12的光线中,还混杂有另一个更为暗弱的双星系统的光线,这对于解释WASP-12系统中的组成,留下了一些问提。

  到目前为止,天文观测都集中在太阳系外GJ 1214b上,这颗围绕着一颗红色的M型矮星转动,距离地球约40光年。不到 近的距离使得GJ1214b相对易于研究,而且它的直径仅为地球的2.7倍,比起最先发现的太阳系外热类木星,也更加接近地球。“它是每当时人都钟爱的‘超级地球’,”美国大学的研究生劳拉?克莱德伯格(Laura Kreidberg)说,他目前正在分析另一个观测项目所获得的数据。

  GJ1214b于4009年由“M地球”计划发现,该计划由夏博诺牵头,旨在搜寻M型矮星互近的。夏博诺的想法是,比起更大的恒星而言,在哪几种相对较小,而且比较暗弱的恒星互近寻找较小的凌星会更加容易。首先,对于而且的恒星,地球大小的所遮挡更多的恒星星,也会对恒星更大的引力,让科学家更容易测定的质量,进而确定的密度。其次,机会恒星较小,温度较低,其宜居带会比高温的类太阳恒星更靠近自身,使得凌星问提会更机会被观测到(机会轨道与恒星较近语录,不都要严格地侧向面对观测者,也能产生凌星问提)。最后,中M型矮星的数量要远远大于类太阳恒星——大概有2400颗M型矮星与地球的距离在400光年之内,而在这个 距离内,后者仅有20颗。

  GJ1214b还称不上是第十个 地球:它的直径是地球的2.7倍,质量是地球的6.5倍,这使得它的平均密度介于地球和海王星之间。不过,如夏博诺和当时人在发现GJ1214b后不久便意识到的,这个 密度都也能有多种不同的解释。例如,这颗都也能是由另一个较小的岩质核心,外加另一个巨大的绝大要素是氢的大气层所构成;它也都也能有另一个较大核心,核心外周是较深的液态海洋,再外加一层富含水份的稀薄大气。仅仅根据密度,科学家无法判别哪种机会性最大——尽管拥有海洋的机会性会更令人兴奋,机会液态水是我们歌词 歌词 所知的生命占据 的必要条件(但并都不 充分条件)。

  然而,当大学的天文学家雅各布?比恩(Jacob Bean)在不同波长上观测GJ1214b,希望能就看这颗可视大小的变化(表征其大气的宽度)时,他没就看任何变化。这因为有一种机会性:要么这颗机会具有另一个巨大的氢大气层,但其中充满着的云和霾使之难以探测;要么它有另一个薄而多水的大气层,它薄到无法被地面上的望远镜看见。2012年刚结束了了和比恩企业协作的克莱德伯格说,例如似于从远处看一道山脉。“那里你说有一些个山峰,”她解释说,“但机会你距离太远语录,山脉看起来就会像十根平整的线。”

  为了除理这个 问提,比恩及其同事申请到了哈勃空间望远镜400个轨道的观测时间(也而且围绕地球运转400周的时间);我们歌词 歌词 的观测机会刚结束了了。这并都不 天文学家第一次用“哈勃”来观测GJ1214b,却是迄今最深入的观测计划。比恩的这次观测,会使用4009年5月“哈勃”升级维修时新安装的大视场机3(Wide Field Camera 3)来进行观测。运气好语录,这个 观测将最终会弄清楚,GJ 1214b否是另一个水世界。

  机会对太阳系外的搜寻机会持续了一定的时间,天文学家已刚结束了了寻找哪几种有着较长轨道周期的。哪几种远离它们的宿主恒星,而且会比早先发现的热类木星的温度低。“长久以来,我们歌词 歌词 都老是局限在温度为4000开、4000开的,它们的温度人太好太高了,”美国理工学院的克努森说。在哪几种上,“大气中的绝大多数碳会和氧结合,形成一氧化碳,”她说,“真正有意思的事情出显在当温度降低到4000开以下时,碳和氧会形成甲烷。”

  尽管占据 着不确定性(机会纯粹的地质活动也能产生甲烷),但作为生物活动的信号,甲烷尤其吸引人。氧,尤其是臭氧——由另一个氧原子组成的高活性,更机会是生命占据 的信号。但机会臭氧的光谱信号很微妙,不得劲在相对较小的类地大气中更是不到 ,而且臭氧也极难探测。

  不过,对于温度适中的超级地球,天文学家则在密切关注哪几种上的各种活动迹象。“所有这个 切仅仅是另一个,”希格说,“我的意思是,研究超级地球人太好很有意思,但对于像我而且的人来说,例如只不过是一块垫脚石,我们歌词 歌词 最终的研究对象,机会是真正的‘地球’大气层。”

  不过,在詹姆斯?韦布空间望远镜以及新一代巨型地面望远镜(包括巨麦哲伦望远镜和三十米望远镜)投入使用前,机会还不到 找到一些“地球”。即便有了哪几种强大的设备,希格说,也大概成千上万个观测小时,才机会找到一些“地球”。就算到那个日后也从不要清楚,到底都也能探测到生命迹象。为此,天文学家机会仍然都要“类地搜索者”(Terrestrial Planet Finder),但这个 项目的经费已被大幅削减,确切的发射时间目前还不好说。

  不过,迄今所取得的结果显然机会超出了任何人在20世纪90年代的预期,希格甚至机会都也能谈论找到生命迹象的真实前景。我们歌词 歌词 所希望的,已不仅仅是外星文明会发现我们歌词 歌词 ,向我们歌词 歌词 发送信号,我们歌词 歌词 机会在主动地探索遥远上的大气,搜寻以那里为家的生命的迹象。

  科学家曾认为,探测遥远的太阳系外的大气几乎是不机会的,机会它们的宿主恒星所发出的光太亮了。

  然而,当科学家刚结束了了研究太阳系外运动到宿主恒星后方的情景时,我们歌词 歌词 意识到由此因为的恒星亮度变化都也能为大气的组成提供线索。

  目前,天文学家正在使用先进的技术,来探测太阳系外大气中的原子和。我们歌词 歌词 希望放慢能把这个 研究拓展到可为外星生命的占据 提供的身上。

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