9号彩票官网环球科学》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309年起,就总爱在超过3000颗的近距恒星,观测当一颗从宿主恒星和地球之间经过时愿因的恒星亮度下降。其他 太阳系外的凌星什么的问题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,当时在场的每一另好几个 人全部后能 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好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)在发布会上宣告,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。而在此的几个月前,大学的米切尔?梅厄(Michel Mayor)和迪迪埃?奎罗兹(Didier Queloz)曾宣告,他发现了第一颗假若的——飞马51b(51 Pegasi b)。不过,刚发现飞马51b时,科学家还认为这是我不好假若偶然发现,可能性甚至可能性是个错误。在发布会上,马西可能性时要确信地说,这既全部后能 偶然也全部后能 错误,他告诉观众,“根本就不罕见”。

  其他 发现了天文学界。就是,可能性科学家自认为寻找太阳系外过于困难,但会 几乎没办法 人搜寻它们。而现在,仅对几颗恒星进行搜索就是,天文学家就发现了三颗,这表明还有数十亿颗有待发现。

  可能性巴特勒和马西仅仅是出理 了一另好几个 有关形成理论的什么的问题,没办法 大伙 的发现不用引起没办法 大的轰动。事实上,大伙 的发现不仅证明太阳系外确实位于,但会 在那此的发现还可能性回答一另好几个 古希腊以来就总爱困扰着哲学家、科学家乃至家的什么的问题:大伙 在中算是孤独?

  在最初的欢庆就是,科学家决定弄清楚,怎样才能不后能 查明在那此围绕其他恒星转动的上,到底有没办法 哪怕是最原始的生命形式。可能性至今科学家还没办法 像电影《超旧时光接触》(Contact)中的朱迪?福斯特(Jodie Foster)那样,截获外星人发来的讯息,但会 假若实现其他 目标,就只能在太阳系外的大气中寻找生命迹象,也假若高活性位于的。相似于氧气,除非有两种 可进行新陈代谢的生物体不断补充,但会 氧气越快了 了 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,你时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,而其他 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,绝全部后能 一时半会儿就时要做到的。

  但大伙 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其他 领域,让其他 领域成为了物理学中最热门的研究方向。同时,其他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,也使其他 领域越快了 了 发展。到301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、氢气、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,其他可能性要素是由钻石所组成的。“到目前为止,可能性算上还没办法 发表的结果,大伙 可能性对30~30颗的大气有了一定的了解,”参与了其他开创性观测的、美国理工学院的物理学家希瑟?克努森(Heather Knutson)说。

  但那此发现还远匮乏以证明地外生命的位于——这不须奇怪,可能性克努森所谈论的绝大多数全部后能 温度很高的类木,它们到各自 宿主恒星的距离,比水星到太阳的距离时要近。不过,克努森及其他天文学家可能性结束了了英文探测更多较小的太阳系外的大气。那此被称为“超级地球”,质量介于2~10个地球质量之间——即使在10年前,都没办法 人会想过,会发现假若的。2013年4月,开普勒空间望远镜宣告发现了两颗大小匮乏地球2倍的,它们的温度都允许生命位于,其他 发现暗示,生命宜居的确实少许位于。但会 ,确实这两颗(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,大伙 就能在类地的大气中寻找生命迹象。

  天文学家曾一度认为,要花几十年的时间不后能 结束了了英文观测太阳系外的大气,可能性第一批太阳系外全部后能 间接发现的——天文学家观测到了它们对宿主恒星的影响。那此两种 是无法看见的,但可能性恒星和绕着同时的引力中心运动,的引力会使得恒星来回运动。当恒星朝大伙 运动时,它所发出的光会向可见光谱的蓝端位于微小的偏移;当它远离大伙 时,它所发出的光则会向红端移动。偏移的程度时要告诉天文学家这颗恒星的视向下行速率 单位,即它朝向可能性远离地球运动的下行速率 单位有多快;反过来,这不后能 谁能告诉大伙 ,太阳系外的质量有多大。

  然而,寻找太阳系外的土办法不须止其他 种。可能性从地球上看,一颗不可见的轨道正好是侧向对着大伙 的,那它就会从宿主恒星的前面直接经过,其他 什么的问题被称为凌星。不过,在第一批太阳系外被发现前的近20年,几乎根本没办法 物理学家考虑过凌星什么的问题,愿因很简单,当时搜索太阳系外两种 仍位于研究领域的边缘。[一另好几个 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一另好几个 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什么的问题。这颗被称为HD209458b,早先由视向下行速率 单位土办法发现。几周就是,和马西同时,美国立大学的格雷戈里?W?亨利(Gregory W. Henry)也看到了同一颗的凌星什么的问题。可能性同时发表了探测结果,但会 其他 另好几个 团队分享了发现权。

  成功观测到凌星什么的问题不仅给天文学家提供了寻找太阳系外的第二条途径,还赋予了大伙 测量密度的两种 手段。视向下行速率 单位法时要测量HD209458b的质量。而在凌星什么的问题中,可能性恒星光线被遮挡的几个正比于的大小,但会 天文学家们就能知道的物理体积。[用质量除以体积显示,确实HD209458b的质量只能木星的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)把其他 意料之外的结果称为“一另好几个 有待解释的什么的问题”。]

  到其他 就是,一大批物理学家意识到,利用凌星什么的问题,是我不好时要研究太阳系外的大气,克努森把其他 土办法称为“非常聪明的土办法”。但事实上,在科学家首次观测到凌星什么的问题就是,美国麻省理工学院的物理学家、当时与夏博诺同时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,一另好几个 观测者会看到那此样的状况(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(其他 波长假若两种 的特性波长)。可能性我想搜寻两种 ,就时要用它的特性波长来观测。可能性假若中含其他 的任何大气,后能 吸收其他 波长的光线,但会 大气会变得不透明,使得看上去更大。

  希格和萨塞洛夫提出,钠有点易于探测。“钠就像臭鼬的臭味,”夏博诺说,“假若有其他,你就能发现它。”他比任何人都清楚其他 点:301年,夏博诺、布朗及其同事再次观测了凌星HD209458b,这次大伙 用的不再是爱好者用的小型望远镜,假若哈勃望远镜。正如预言的那样,大伙 很轻易地就探测到了钠的信号。

  天文学家们意识到,还位于两种 补充性的土办法来探测凌星的大气。当一颗从宿主恒星前方经过时,观测者看到的是它位于半夜的一侧。在其他就是,它所呈现出的则大约是要素的向阳侧。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,当运动到恒星底下时,它所发出的光会总爱消失;它对该系统总辐射的贡献也会终止。可能性物理学家做一另好几个 前后比较励志的话 ,大伙 就能推测出这颗两种 会是那此样子(见插图)。“其他 土办法从根本上改变了大伙 面对的什么的问题,”克努森说,“现在,大伙 要做的全部后能 在一另好几个 非常明亮的东西随近,去探测一另好几个 极为暗弱的东西,而假若监测信号随时间的变化状况。”早在301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,旨在目睹其他 所谓的次食(secondary eclipse),但会 我不好并没办法 观测到其他 什么的问题。

  不过,和夏博诺一样,戴明也知道,计划于303年发射的斯皮策空间望远镜几乎时要肯定能看到次食。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。大伙 都获得了一定的观测时间,并取得了数据。戴明回忆说,在那就是,大约在305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。我听说你最近做了其他有意思的观测。是我不好大伙 该聊一聊。”

  结果,戴明(与希格商务商务合作)和夏博诺使用同一架望远镜,几乎同时第一次观测到了次食。一另好几个 团队同时宣告了大伙 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,没办法 人预料到,作为探测太阳系外大气的工具,‘斯皮策’有没办法 强的能力和没办法 惊人的影响力。”实际上,希格说:“大伙 现在使用‘哈勃’和‘斯皮策’的土办法,以及它们的观测精度,是当初建造这两台望远镜时所没办法 的想到的。”

  希格说,那此研究向大伙 证明了其他东西。“在两种 程度上,这听起来平淡无奇,但大伙 发现类木星的温度确实很高。大伙 测量了那此的亮度和温度”,而科学家观测到的结果与大伙 预期的、恒星对加热的效果是相符的。她继续说,“大伙 还探测到了其他。没办法 ,现在大伙 所发现的算是与大伙 所预期的大相径庭呢?肯定全部后能 假若。”现在,物理学家时要在一定温度下,利用其他元素,直接构建氢气球模型,但会 分析最终会形成那此。“物理和联 学规律是普适的,”希格说。

  然而,西格和其他物理学家也知道,尽管太阳系外的大气总体上相近,但每一颗在多个方面上全部后能 所不同。其中其他便是,温度是怎样才能随着厚度变化的。其他,相似于太阳系中的木星和土星,温度具有逆增性,即随着厚度的增加温度不降反升。另其他则不位于其他 什么的问题。“什么的问题是,”克努森说,“大伙 并谁能谁能告诉我是那此愿因造成了温度逆增什么的问题,但会 大伙 也无法预言,那此太阳系外会可能性不用具有假若的特性。”其他物理学家认为,具有逆温性的太阳系外可能性中含其他吸热的,相似于氧化钛,但到目前为止这还仅仅是一另好几个 。

  科学家面临的假若什么的问题是,其他的大气组成算是和其他所有不同。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,推测出其他 的大气的含碳量异常高,与氧元素相当。

  从理论上推测,可能性在同一系统中,其他更小的上的碳氧比超过0.8励志的话 (考虑到都形成于同一另好几个 氢气和尘埃盘中,这是很有可能性的),没办法 那此就会形成由碳化物——中含碳的矿物——构成的“岩石”,而全部后能 大伙 太阳系中中含硅的硅酸盐岩石。可能性其他 什么的问题确实位于,没办法 WASP-12系统中一颗地球大小的是我不好就会由钻石构成。

  希格和各自 所撰写的论文提出,目前无法排除其他主假若由碳甚至是铁所构成的可能性。然而,对于WASP-12而言,事情或许不须没办法 。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,还混杂一另好几个 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,留下了其他什么的问题。

  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。没办法 近的距离使得GJ1214b相对易于研究,但会 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。“它是每各自 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,他目前正在分析一另好几个 观测项目所获得的数据。

  GJ1214b于309年由“M地球”计划发现,该计划由夏博诺牵头,旨在搜寻M型矮星随近的。夏博诺的想法是,比起更大的恒星而言,在那此相对较小,但会 比较暗弱的恒星随近寻找较小的凌星会更加容易。首先,对于假若的恒星,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,进而挑选 的密度。其次,可能性恒星较小,温度较低,其宜居带会比高温的类太阳恒星更靠近自身,使得凌星什么的问题会更可能性被观测到(可能性轨道与恒星较近励志的话 ,不时要严格地侧向面对观测者,不后能 产生凌星什么的问题)。最后,中M型矮星的数量要远远大于类太阳恒星——大约有230颗M型矮星与地球的距离在30光年之内,而在其他 距离内,后者仅有20颗。

  GJ1214b还称不上是第五个地球: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,如夏博诺和各自 在发现GJ1214b后不久便意识到的,其他 密度时要有多种不同的解释。相似于,这颗时就是由一另好几个 较小的岩质核心,外加一另好几个 巨大的绝大要素是氢的大气层所构成;它也时要一另好几个 较大核心,核心外周是较深的液态海洋,再外加一层中含水份的稀薄大气。仅仅根据密度,科学家无法判别哪种可能性性最大——尽管拥有海洋的可能性性会更令人兴奋,可能性液态水是大伙 所知的生命位于的必要条件(但并全部后能 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,希望能看到这颗可视大小的变化(表征其大气的厚度)时,他没看到任何变化。这愿因两种 可能性性:要么这颗可能性具一另好几个 巨大的氢大气层,但其中充满着的云和霾使之难以探测;要么它一另好几个 薄而多水的大气层,它薄到无法被地面上的望远镜看见。2012年结束了了英文和比恩商务商务合作的克莱德伯格说,相似于于似于从远处看一道山脉。“那里是我不好有其他个山峰,”她解释说,“但可能性你距离太远励志的话 ,山脉看起来就会像一根绳子 平整的线。”

  为了出理 其他 什么的问题,比恩及其同事申请到了哈勃空间望远镜30个轨道的观测时间(也假若围绕地球运转30周的时间);大伙 的观测可能性结束了了英文。这并全部后能 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309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。运气好励志的话 ,其他 观测将最终会弄清楚,GJ 1214b算是一另好几个 水世界。

  可能性对太阳系外的搜寻可能性持续了一定的时间,天文学家已结束了了英文寻找那此有着较长轨道周期的。那此远离它们的宿主恒星,但会 会比早先发现的热类木星的温度低。“长久以来,大伙 都总爱局限在温度为30开、30开的,它们的温度确实太高了,”美国理工学院的克努森说。在那此上,“大气中的绝大多数碳会和氧结合,形成一氧化碳,”她说,“真正有意思的事情老出在当温度降低到30开以下时,碳和氧会形成甲烷。”

  尽管位于着不挑选 性(可能性纯粹的地质活动不后能 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——由一另好几个 氧原子组成的高活性,更可能性是生命位于的信号。但可能性臭氧的光谱信号很微妙,有点在相对较小的类地大气中更是没办法 ,但会 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那此上的各种活动迹象。“所有其他 切仅仅是一另好几个 ,”希格说,“我的意思是,研究超级地球确实很有意思,但对于像我假若的人来说,相似于于只不过是一块垫脚石,大伙 最终的研究对象,可能性是真正的‘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,可能性还没办法 找到其他“地球”。即便有了那此强大的设备,希格说,也大约成千上万个观测小时,才可能性找到其他“地球”。就算到那个就是好多好多 须会清楚,到底时要探测到生命迹象。为此,天文学家可能性仍然时要“类地搜索者”(Terrestrial Planet Finder),但其他 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可能性超出了任何人在20世纪90年代的预期,希格甚至可能性时要谈论找到生命迹象的真实前景。大伙 所希望的,已不仅仅是外星文明会发现大伙 ,向大伙 发送信号,大伙 可能性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可能性性的,可能性它们的宿主恒星所发出的光太亮了。

  然而,当科学家结束了了英文研究太阳系外运动到宿主恒星后方的情景时,大伙 意识到由此愿因的恒星亮度变化时要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。大伙 希望越快了 了 能把其他 研究拓展到可为外星生命的位于提供的身上。

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