5分彩app-腾讯5分彩app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1509年起,就时不时在超过1115000颗的近距恒星,观测当一颗从宿主恒星和地球之间经过时原因分析分析着的恒星亮度下降。你这俩太阳系外的凌星问題通常会使得一颗恒星的亮度下降万分之一。

  从经验充沛的物理学家,到初出茅庐的科学记者,当时在场的每4自己全部都是会忘记1996年1月的那场新闻发布会。这场发布会是在美国天文医学会 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)在发布会上否认,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。而在此的几块月前,大学的米切尔?梅厄(Michel Mayor)和迪迪埃?奎罗兹(Didier Queloz)曾否认,他发现了第一颗所以我的——飞马51b(51 Pegasi b)。不过,刚发现飞马51b时,科学家还认为这我说所以我偶然发现,机会甚至机会是个错误。在发布会上,马西机会还可以确信地说,这既全部都是偶然也全部都是错误,他告诉观众,“根本就不罕见”。

  你这俩发现了天文学界。并且,机会科学家自认为寻找太阳系外过于困难,许多几乎非要 人搜寻它们。而现在,仅对几颗恒星进行搜索并且,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处理了有好几块 有关形成理论的问題,非要 大伙儿的发现不让引起非要 大的轰动。事实上,大伙儿的发现不仅证明太阳系外着实处在,许多在哪些的发现还机会回答有好几块 古希腊以来就时不时困扰着哲学家、科学家乃至家的问題:大伙儿在中否是是孤独?

  在最初的欢庆并且,科学家决定弄清楚,要怎样不让 查明在哪些围绕许多恒星转动的上,到底有非要 哪怕是最原始的生命形式。机会至今科学家还非要 像电影《超時光里接触》(Contact)中的朱迪?福斯特(Jodie Foster)那样,截获外星人发来的讯息,许多所以我实现你这俩目标,就非要在太阳系外的大气中寻找生命迹象,也所以我高活性处在的。这类氧气,除非有这俩 可进行新陈代谢的生物体不断补充,许多氧气调慢就会消失。

  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,你还可以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,而你这俩计划的次责,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,绝全部都是一时半会儿就还可以做到的。

  但大伙儿错了。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这俩领域,愿意这俩领域成为了物理学中最热门的研究方向。同時 ,许多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,也使你这俩领域飞快发展。到1501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,许多机会次责是由钻石所组成的。“到目前为止,机会算上还非要 发表的结果,大伙儿机会对150~150颗的大气有了一定的了解,”参与了许多开创性观测的、美国理工学院的物理学家希瑟?克努森(Heather Knutson)说。

  但哪些发现还远处在问题以证明地外生命的处在——这何必 奇怪,机会克努森所谈论的绝大多数全部都是温度很高的类木,它们到各自 宿主恒星的距离,比水星到太阳的距离还可以近。不过,克努森及许多天文学家机会现在现在开始探测更多较小的太阳系外的大气。哪些被称为“超级地球”,质量介于2~10个地球质量之间——即使在10年前,都非要 人会想过,会发现所以我的。2013年4月,开普勒空间望远镜否认发现了两颗大小处在问题地球2倍的,它们的温度都允许生命处在,你这俩发现暗示,生命宜居的着实多量处在。许多,着实这两颗(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,大伙儿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让 现在现在开始观测太阳系外的大气,机会第一批太阳系外全部都是间接发现的——天文学家观测到了它们对宿主恒星的影响。哪些这俩 是无法看见的,但机会恒星和绕着同時 的引力中心运动,的引力会使得恒星来回运动。当恒星朝大伙儿运动时,它所发出的光会向可见光谱的蓝端处在微小的偏移;当它远离大伙儿时,它所发出的光则会向红端移动。偏移的程度还可以告诉天文学家这颗恒星的视向传输传输速率,即它朝向机会远离地球运动的传输传输速率有多快;反过来,这不让 我不知道们,太阳系外的质量有多大。

  然而,寻找太阳系外的措施 何必 止这这俩 。机会从地球上看,一颗不可见的轨道正好是侧向对着大伙儿的,那它就会从宿主恒星的前面直接经过,你这俩问題被称为凌星。不过,在第一批太阳系外被发现前的近20年,几乎根本非要 物理学家考虑过凌星问題,原因分析分析着很简单,当时搜索太阳系外这俩 仍处在研究领域的边缘。[有好几块 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有好几块 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題。这颗被称为HD209458b,早先由视向传输传输速率措施 发现。几周并且,和马西同時 ,美国立大学的格雷戈里?W?亨利(Gregory W. Henry)也想看 了同一颗的凌星问題。机会同時 发表了探测结果,许多你这俩个多团队分享了发现权。

  成功观测到凌星问題不仅给天文学家提供了寻找太阳系外的第二条途径,还赋予了大伙儿测量密度的这俩 手段。视向传输传输速率法还可以测量HD209458b的质量。而在凌星问題中,机会恒星光线被遮挡的几块正比于的大小,许多天文学家们就能知道的物理体积。[用质量除以体积显示,着实HD209458b的质量非要木星的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)把你这俩意料之外的结果称为“有好几块 有待解释的问題”。]

  到你这俩并且,一大批物理学家意识到,利用凌星问題,我说还可以研究太阳系外的大气,克努森把你这俩措施 称为“非常聪明的措施 ”。但事实上,在科学家首次观测到凌星问題并且,美国麻省理工学院的物理学家、当时与夏博诺同時 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,有好几块 观测者会想看 哪些样的情形(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(你这俩波长所以我这俩 的型态波长)。机会我还可以搜寻这俩 ,就还可以用它的型态波长来观测。机会倘若中含你这俩的任何大气,一定会吸收你这俩波长的光线,许多大气会变得不透明,使得看上去更大。

  希格和萨塞洛夫提出,钠不要怎样易于探测。“钠就像臭鼬的臭味,”夏博诺说,“倘若有许多,你就能发现它。”他比任何人都清楚你这俩点:1501年,夏博诺、布朗及其同事再次观测了凌星HD209458b,这次大伙儿用的不再是爱好者用的小型望远镜,所以我哈勃望远镜。正如预言的那样,大伙儿很轻易地就探测到了钠的信号。

  天文学家们意识到,还处在这俩 补充性的措施 来探测凌星的大气。当一颗从宿主恒星前方经过时,观测者想看 的是它处在深更深更半夜的一侧。在许多并且,它所呈现出的则大概 是次责的向阳侧。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,且绝大次责集中在红外波段。

  然而,当运动到恒星上端时,它所发出的光会时不时消失;它对该系统总辐射的贡献也会终止。机会物理学家做有好几块 前后比较一句话,大伙儿就能推测出这颗这俩 会是哪些样子(见插图)。“你这俩措施 从根本上改变了大伙儿面对的问題,”克努森说,“现在,大伙儿要做的全部都是在有好几块 非常明亮的东西随近,去探测有好几块 极为暗弱的东西,而所以我监测信号随时间的变化情形。”早在1501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,旨在目睹你这俩所谓的次食(secondary eclipse),但我说并非要 观测到你这俩问題。

  不过,和夏博诺一样,戴明也知道,计划于1503年发射的斯皮策空间望远镜几乎还可以肯定能想看 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。大伙儿都获得了一定的观测时间,并取得了数据。戴明回忆说,在那并且,大概 在1505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。我听说你最近做了许多有意思的观测。我说大伙儿该聊一聊。”

  结果,戴明(与希格商务媒体合作)和夏博诺使用同一架望远镜,几乎同時 第一次观测到了次食。有好几块 团队同時 否认了大伙儿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,非要 人预料到,作为探测太阳系外大气的工具,‘斯皮策’有非要 强的能力和非要 惊人的影响力。”实际上,希格说:“大伙儿现在使用‘哈勃’和‘斯皮策’的措施 ,以及它们的观测精度,是当初建造这两台望远镜时所非要 的想到的。”

  希格说,哪些研究向大伙儿证明了许多东西。“在这俩 程度上,这听起来平淡无奇,但大伙儿发现类木星的温度着实很高。大伙儿测量了哪些的亮度和温度”,而科学家观测到的结果与大伙儿预期的、恒星对加热的效果是相符的。她继续说,“大伙儿还探测到了许多。非要 ,现在大伙儿所发现的否是是与大伙儿所预期的大相径庭呢?肯定全部都是所以我。”现在,物理学家还可以在一定温度下,利用许多元素,直接构建甲烷气体球模型,许多分析最终会形成哪些。“物理和中学规律是普适的,”希格说。

  然而,西格和许多物理学家也知道,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都是所不同。其中许多便是,温度是要怎样随着高度变化的。许多,这类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。另许多则不处在你这俩问題。“问題是,”克努森说,“大伙儿并我不知道是哪些原因分析分析着造成了温度逆增问題,许多大伙儿也无法预言,哪些太阳系外会机会不让具有所以我的型态。”许多物理学家认为,具有逆温性的太阳系外机会中含许多吸热的,这类氧化钛,但到目前为止这还仅仅是有好几块 。

  科学家面临的所以我问題是,许多的大气组成否是是和许多所有不同。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,推测出你这俩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,许多更小的上的碳氧比超过0.8一句话(考虑到都形成于同有好几块 甲烷气体和尘埃盘中,这是很有机会的),非要 哪些就会形成由碳化物——中含碳的矿物——构成的“岩石”,而全部都是大伙儿太阳系中中含硅的硅酸盐岩石。机会你这俩问題着实处在,非要 WASP-12系统中一颗地球大小的我说就会由钻石构成。

  希格和自己所撰写的论文提出,目前无法排除许多主所以我由碳甚至是铁所构成的机会。然而,对于WASP-12而言,事情或许何必 非要 。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,还混杂有有好几块 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,留下了许多问題。

  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。非要 近的距离使得GJ1214b相对易于研究,许多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。“它是每自己都钟爱的‘超级地球’,”美国大学的研究生劳拉?克莱德伯格(Laura Kreidberg)说,他目前正在分析有好几块 观测项目所获得的数据。

  GJ1214b于1509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,在哪些相对较小,许多比较暗弱的恒星随近寻找较小的凌星会更加容易。首先,对于所以我的恒星,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,进而选择的密度。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,使得凌星问題会更机会被观测到(机会轨道与恒星较近一句话,非要严格地侧向面对观测者,不让 产生凌星问題)。最后,中M型矮星的数量要远远大于类太阳恒星——大概 有2150颗M型矮星与地球的距离在150光年之内,而在你这俩距离内,后者仅有20颗。

  GJ1214b还称不上是第好几块 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,如夏博诺和自己在发现GJ1214b后不久便意识到的,你这俩密度并且否是多种不同的解释。这类,这颗并且否是由有好几块 较小的岩质核心,外加有好几块 巨大的绝大次责是氢的大气层所构成;它也并且否是有好几块 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,机会液态水是大伙儿所知的生命处在的必要条件(但并全部都是充分条件)。

  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,希望能想看 这颗可视大小的变化(表征其大气的高度)时,他没想看 任何变化。这原因分析分析着分析这俩 机会性:要么这颗机会具有有好几块 巨大的氢大气层,但其中充满着的云和霾使之难以探测;要么它有有好几块 薄而多水的大气层,它薄到无法被地面上的望远镜看见。2012年现在现在开始和比恩商务媒体合作的克莱德伯格说,这这类从远处看一道山脉。“那里我说有许多个山峰,”她解释说,“但机会你距离太远一句话,山脉看起来就会像四根平整的线。”

  为了处理你这俩问題,比恩及其同事申请到了哈勃空间望远镜150个轨道的观测时间(也所以我围绕地球运转150周的时间);大伙儿的观测机会现在现在开始。这并全部都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1509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,你这俩观测将最终会弄清楚,GJ 1214b否是是是有好几块 水世界。

  机会对太阳系外的搜寻机会持续了一定的时间,天文学家已现在现在开始寻找哪些有着较长轨道周期的。哪些远离它们的宿主恒星,许多会比早先发现的热类木星的温度低。“长久以来,大伙儿都时不时局限在温度为11150开、1150开的,它们的温度着实太高了,”美国理工学院的克努森说。在哪些上,“大气中的绝大多数碳会和氧结合,形成一氧化碳,”她说,“真正有意思的事情冒出在当温度降低到11150开以下时,碳和氧会形成甲烷。”

  尽管处在着不选择性(机会纯粹的地质活动不让 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——由有好几块 氧原子组成的高活性,更机会是生命处在的信号。但机会臭氧的光谱信号很微妙,不要怎样在相对较小的类地大气中更是非要 ,许多臭氧也极难探测。

  不过,对于温度适中的超级地球,天文学家则在密切关注哪些上的各种活动迹象。“所有你这俩切仅仅是有好几块 ,”希格说,“我的意思是,研究超级地球着实很有意思,但对于像我所以我的人来说,这类只不过是一块垫脚石,大伙儿最终的研究对象,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,机会还非要 找到许多“地球”。即便有了哪些强大的设备,希格说,也大概 成千上万个观测小时,才机会找到许多“地球”。就算到那个并且也何必 会清楚,到底还可以探测到生命迹象。为此,天文学家机会仍然还可以“类地搜索者”(Terrestrial Planet Finder),但你这俩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,希格甚至机会还可以谈论找到生命迹象的真实前景。大伙儿所希望的,已不仅仅是外星文明会发现大伙儿,向大伙儿发送信号,大伙儿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,当科学家现在现在开始研究太阳系外运动到宿主恒星后方的情景时,大伙儿意识到由此原因分析分析着的恒星亮度变化还可以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。大伙儿希望调慢能把你这俩研究拓展到可为外星生命的处在提供的身上。

  本文由 恒宇国际(www.neivn.cn)采集发布