pk10总代环球科学》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,就一个劲在超过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。你你这种 太阳系外的凌星间题通常会使得一颗恒星的亮度下降万分之一。

  从经验宽裕的物理学家,到初出茅庐的科学记者,当时在场的每兩个 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学着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)在发布会上宣布 ,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。而在此的十哪几个 月前,大学的米切尔?梅厄(Michel Mayor)和迪迪埃?奎罗兹(Didier Queloz)曾宣布 ,他发现了第一颗曾经的——飞马51b(51 Pegasi b)。不过,刚发现飞马51b时,科学家还认为这你爱不爱我很多很多 偶然发现,前一天甚至前一天是个错误。在发布会上,马西前一天都也能确信地说,这既都不 偶然也都不 错误,他告诉观众,“根本就不罕见”。

  你你这种 发现了天文学界。前一天,前一天科学家自认为寻找太阳系外过于困难,因此几乎越来越人搜寻它们。而现在,仅对几颗恒星进行搜索前一天,天文学家就发现了三颗,这表明还有数十亿颗有待发现。

  前一天巴特勒和马西仅仅是外理了兩个 有关形成理论的间题,越来越让其他同学让其他同学 的发现我不要 引起越来越大的轰动。事实上,让其他同学让其他同学 的发现不仅证明太阳系外虽然所处,因此在哪此的发现还前一天回答兩个 古希腊以来就一个劲困扰着哲学家、科学家乃至家的间题:让其他同学让其他同学 在中有无孤独?

  在最初的欢庆前一天,科学家决定弄清楚,怎么也能查明在哪此围绕你这种恒星转动的上,到底有越来越哪怕是最原始的生命形式。前一天至今科学家还越来越像电影《超时光里接触》(Contact)中的朱迪?福斯特(Jodie Foster)那样,截获外星人发来的讯息,因此很多很多 实现你你这种 目标,就越来越在太阳系外的大气中寻找生命迹象,也很多很多 高活性所处的。累似 氧气,除非一种生活可进行新陈代谢的生物体不断补充,因此氧气调慢就会消失。

  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,你需用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,而你你这种 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。

  但让其他同学让其他同学 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你你这种 领域,给你你这种 领域成为了物理学中最热门的研究方向。并肩,你这种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,也使你你这种 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、甲烷气体、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,你这种前一天要素是由钻石所组成的。“到目前为止,前一天算上还越来越发表的结果,让其他同学让其他同学 前一天对400~400颗的大气有了一定的了解,”参与了你这种开创性观测的、美国理工学院的物理学家希瑟?克努森(Heather Knutson)说。

  但哪此发现还远不足英文以证明地外生命的所处——这不须奇怪,前一天克努森所谈论的绝大多数都不 温度很高的类木,它们到所其他同学宿主恒星的距离,比水星到太阳的距离需用近。不过,克努森及你这种天文学家前一天开始探测更多较小的太阳系外的大气。哪此被称为“超级地球”,质量介于2~10个地球质量之间——即使在10年前,都越来越人会想过,会发现曾经的。2013年4月,开普勒空间望远镜宣布 发现了两颗大小不足英文地球2倍的,它们的温度都允许生命所处,你你这种 发现暗示,生命宜居的虽然极少量所处。因此,虽然这两颗(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,让其他同学让其他同学 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开始观测太阳系外的大气,前一天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。哪此一种是无法看见的,但前一天恒星和绕着并肩的引力中心运动,的引力会使得恒星来回运动。当恒星朝让其他同学让其他同学 运动时,它所发出的光会向可见光谱的蓝端所处微小的偏移;当它远离让其他同学让其他同学 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下行传输速率 ,即它朝向前一天远离地球运动的下行传输速率 有多快;反过来,这也能别问让其他同学让其他同学 ,太阳系外的质量有多大。

  然而,寻找太阳系外的法律方式不须止你你这种 种。前一天从地球上看,一颗不可见的轨道正好是侧向对着让其他同学让其他同学 的,那它就会从宿主恒星的前面直接经过,你你这种 间题被称为凌星。不过,在第一批太阳系外被发现前的近20年,几乎根本越来越物理学家考虑过凌星间题,因为很简单,当时搜索太阳系外一种仍所处研究领域的边缘。[兩个 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兩个 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间题。这颗被称为HD209458b,早先由视向下行传输速率 法律方式发现。几周前一天,和马西并肩,美国立大学的格雷戈里?W?亨利(Gregory W. Henry)也看了了同一颗的凌星间题。前一天并肩发表了探测结果,怎么给你你这种 个 团队分享了发现权。

  成功观测到凌星间题不仅给天文学家提供了寻找太阳系外的第二条途径,还赋予了让其他同学让其他同学 测量密度的一种手段。视向下行传输速率 法都也能测量HD209458b的质量。而在凌星间题中,前一天恒星光线被遮挡的十哪几个 正比于的大小,因此天文学家们就能知道的物理体积。[用质量除以体积显示,虽然HD209458b的质量越来越木星的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)把你你这种 意料之外的结果称为“兩个 有待解释的间题”。]

  到你你这种 前一天,一大批物理学家意识到,利用凌星间题,你爱不爱我需用研究太阳系外的大气,克努森把你你这种 法律方式称为“非常聪明的法律方式”。但事实上,在科学家首次观测到凌星间题前一天,美国麻省理工学院的物理学家、当时与夏博诺并肩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,兩个 观测者会看了哪此样的状况(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(你你这种 波长很多很多 一种的形态波长)。前一天我需用搜寻一种,就都也能用它的形态波长来观测。前一天倘若中有 你你这种 的任何大气,后要吸收你你这种 波长的光线,因此大气会变得不透明,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,“倘若有你这种,你就能发现它。”他比任何人都清楚你你这种 点:4001年,夏博诺、布朗及其同事再次观测了凌星HD209458b,这次让其他同学让其他同学 用的不再是爱好者用的小型望远镜,很多很多 哈勃望远镜。正如预言的那样,让其他同学让其他同学 很轻易地就探测到了钠的信号。

  天文学家们意识到,还所处一种补充性的法律方式来探测凌星的大气。当一颗从宿主恒星前方经过时,观测者看了的是它所处夜晚的一侧。在你这种前一天,它所呈现出的则大慨是要素的向阳侧。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,当运动到恒星上方时,它所发出的光会一个劲消失;它对该系统总辐射的贡献也会终止。前一天物理学家做兩个 前后比较一句话,让其他同学让其他同学 就能推测出这颗一种会是哪此样子(见插图)。“你你这种 法律方式从根本上改变了让其他同学让其他同学 面对的间题,”克努森说,“现在,让其他同学让其他同学 要做的都不 在兩个 非常明亮的东西附近,去探测兩个 极为暗弱的东西,而很多很多 监测信号随时间的变化状况。”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,旨在目睹你你这种 所谓的次食(secondary eclipse),但你爱不爱我并越来越观测到你你这种 间题。

  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看了次食。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。让其他同学让其他同学 都获得了一定的观测时间,并取得了数据。戴明回忆说,在那前一天,大慨在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。我听说你最近做了你这种有意思的观测。你爱不爱我让其他同学让其他同学 该聊一聊。”

  结果,戴明(与希格企业相互合作)和夏博诺使用同一架望远镜,几乎并肩第一次观测到了次食。兩个 团队并肩宣布 了让其他同学让其他同学 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,越来越人预料到,作为探测太阳系外大气的工具,‘斯皮策’有越来越强的能力和越来越惊人的影响力。”实际上,希格说:“让其他同学让其他同学 现在使用‘哈勃’和‘斯皮策’的法律方式,以及它们的观测精度,是当初建造这两台望远镜时所越来越的想到的。”

  希格说,哪此研究向让其他同学让其他同学 证明了你这种东西。“在一种程度上,这听起来平淡无奇,但让其他同学让其他同学 发现类木星的温度虽然很高。让其他同学让其他同学 测量了哪此的亮度和温度”,而科学家观测到的结果与让其他同学让其他同学 预期的、恒星对加热的效果是相符的。她继续说,“让其他同学让其他同学 还探测到了你这种。越来越,现在让其他同学让其他同学 所发现的有无与让其他同学让其他同学 所预期的大相径庭呢?肯定都不 曾经。”现在,物理学家都也能在一定温度下,利用你这种元素,直接构建甲烷气体球模型,因此分析最终会形成哪此。“物理和珍学规律是普适的,”希格说。

  然而,西格和你这种物理学家也知道,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。其中你这种便是,温度是怎么随着高度变化的。你这种,累似 太阳系中的木星和土星,温度具有逆增性,即随着高度的增加温度不降反升。另你这种则不所处你你这种 间题。“间题是,”克努森说,“让其他同学让其他同学 并别问我是哪此因为造成了温度逆增间题,怎么给让其他同学让其他同学 也无法预言,哪此太阳系外会前一天我不要 具有曾经的形态。”你这种物理学家认为,具有逆温性的太阳系外前一天中有 你这种吸热的,累似 氧化钛,但到目前为止这还仅仅是兩个 。

  科学家面临的曾经间题是,你这种的大气组成有无和你这种所有不同。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,推测出你你这种 的大气的含碳量异常高,与氧元素相当。

  从理论上推测,前一天在同一系统中,你这种更小的上的碳氧比超过0.8一句话(考虑到都形成于同兩个 甲烷气体和尘埃盘中,这是很有前一天的),越来越哪此就会形成由碳化物——中有 碳的矿物——构成的“岩石”,而都不 让其他同学让其他同学 太阳系中中有 硅的硅酸盐岩石。前一天你你这种 间题虽然所处,越来越WASP-12系统中一颗地球大小的你爱不爱给你要由钻石构成。

  希格和所其他同学所撰写的论文提出,目前无法排除你这种主很多很多 由碳甚至是铁所构成的前一天。然而,对于WASP-12而言,事情或许不须越来越。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,还混杂有兩个 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,留下了你这种间题。

  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。越来越近的距离使得GJ1214b相对易于研究,因此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。“它是每所其他同学都钟爱的‘超级地球’,”美国大学的研究生劳拉?克莱德伯格(Laura Kreidberg)说,他目前正在分析兩个 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型矮星附近的。夏博诺的想法是,比起更大的恒星而言,在哪此相对较小,因此比较暗弱的恒星附近寻找较小的凌星会更加容易。首先,对于曾经的恒星,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,前一天恒星较小,温度较低,其宜居带会比高温的类太阳恒星更靠近自身,使得凌星间题会更前一天被观测到(前一天轨道与恒星较近一句话,不需用严格地侧向面对观测者,也能产生凌星间题)。最后,中M型矮星的数量要远远大于类太阳恒星——大慨有2400颗M型矮星与地球的距离在400光年之内,而在你你这种 距离内,后者仅有20颗。

  GJ1214b还称不上是第兩个地球: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,如夏博诺和所其他同学在发现GJ1214b后不久便意识到的,你你这种 密度都也能有多种不同的解释。累似 ,这颗都也能是由兩个 较小的岩质核心,外加兩个 巨大的绝大要素是氢的大气层所构成;它也都也能有兩个 较大核心,核心外周是较深的液态海洋,再外加一层中有 水份的稀薄大气。仅仅根据密度,科学家无法判别哪种前一天性最大——尽管拥有海洋的前一天性会更令人兴奋,前一天液态水是让其他同学让其他同学 所知的生命所处的必要条件(但不须是充分条件)。

  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,希望能看了这颗可视大小的变化(表征其大气的高度)时,他没看了任何变化。这因为一种前一天性:要么这颗前一天具有兩个 巨大的氢大气层,但其中充满着的云和霾使之难以探测;要么它有兩个 薄而多水的大气层,它薄到无法被地面上的望远镜看见。2012年开始和比恩企业相互合作的克莱德伯格说,累似 似于从远处看一道山脉。“那里你爱不爱我有这十哪几个 山峰,”她解释说,“但前一天你距离太远一句话,山脉看起来就会像四根平整的线。”

  为了外理你你这种 间题,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(也很多很多 围绕地球运转400周的时间);让其他同学让其他同学 的观测前一天开始。这不须是天文学家第一次用“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。运气好一句话,你你这种 观测将最终会弄清楚,GJ 1214b有无兩个 水世界。

  前一天对太阳系外的搜寻前一天持续了一定的时间,天文学家已开始寻找哪此有着较长轨道周期的。哪此远离它们的宿主恒星,因此会比早先发现的热类木星的温度低。“长久以来,让其他同学让其他同学 都一个劲局限在温度为4000开、4000开的,它们的温度虽然太高了,”美国理工学院的克努森说。在哪此上,“大气中的绝大多数碳会和氧结合,形成一氧化碳,”她说,“真正有意思的事情再次总出 在当温度降低到4000开以下时,碳和氧会形成甲烷。”

  尽管所处着不确定性(前一天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——由兩个 氧原子组成的高活性,更前一天是生命所处的信号。但前一天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越来越,因此臭氧也极难探测。

  不过,对于温度适中的超级地球,天文学家则在密切关注哪此上的各种活动迹象。“所有你你这种 切仅仅是兩个 ,”希格说,“我的意思是,研究超级地球虽然很有意思,但对于像我曾经的人来说,累似 只不过是一块垫脚石,让其他同学让其他同学 最终的研究对象,前一天是真正的‘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,前一天还越来越找到你这种“地球”。即便有了哪此强大的设备,希格说,也大慨成千上万个观测小时,才前一天找到你这种“地球”。就算到那个前一天很多很多 须会清楚,到底都也能探测到生命迹象。为此,天文学家前一天仍然需用“类地搜索者”(Terrestrial Planet Finder),但你你这种 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前一天超出了任何人在20世纪90年代的预期,希格甚至前一天都也能谈论找到生命迹象的真实前景。让其他同学让其他同学 所希望的,已不仅仅是外星文明会发现让其他同学让其他同学 ,向让其他同学让其他同学 发送信号,让其他同学让其他同学 前一天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前一天的,前一天它们的宿主恒星所发出的光太亮了。

  然而,当科学家开始研究太阳系外运动到宿主恒星后方的情景时,让其他同学让其他同学 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。让其他同学让其他同学 希望调慢能把你你这种 研究拓展到可为外星生命的所处提供的身上。

  本文由 恒宇国际(www.neivn.cn)下发发布