51彩票登入-51彩票网址环球科学》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,就一三个小劲在超过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意味的恒星亮度下降。之类太阳系外的凌星大大问题通常会使得一颗恒星的亮度下降万分之一。

  从经验雄厚的物理学家,到初出茅庐的科学记者,当时在场的每一一两此人 都还可以 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)在发布会上敲定 ,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。而在此的有几个月前,大学的米切尔?梅厄(Michel Mayor)和迪迪埃?奎罗兹(Didier Queloz)曾敲定 ,他发现了第一颗如此 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可是偶然发现,而且甚至而且是个错误。在发布会上,马西而且能不到确信地说,这既都还可以 偶然不都还可以 不能错误,他告诉观众,“根本就不罕见”。

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

  而且巴特勒和马西仅仅是除理了一三个小有关形成理论的大大问题,如此如此人歌词 儿的发现不要引起如此大的轰动。事实上,如此人歌词 儿的发现不仅证明太阳系外真是趋于稳定,而且在那些的发现还而且回答一三个小古希腊以来就一三个小劲困扰着哲学家、科学家乃至家的大大问题:如此人歌词 儿在中与非 孤独?

  在最初的欢庆如此 ,科学家决定弄清楚,如保不都还可以 查明在那些围绕一些恒星转动的上,到底有如此哪怕是最原始的生命形式。而且至今科学家还如此像电影《超年华接触》(Contact)中的朱迪?福斯特(Jodie Foster)那样,截获外星人发来的讯息,而且可是实现之类目标,就不到在太阳系外的大气中寻找生命迹象,也可是高活性趋于稳定的。之类氧气,除非有一种可进行新陈代谢的生物体不断补充,而且氧气调慢就会消失。

  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,你都还可以 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,而之类计划的主次,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,绝都还可以 一时半会儿就能不到做到的。

  但如此人歌词 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之类领域,让之类领域成为了物理学中最热门的研究方向。一并,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,也使之类领域比较慢发展。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、氯化氢气体 、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,一些而且主次是由钻石所组成的。“到目前为止,而且算上还如此发表的结果,如此人歌词 儿而且对30~30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。

  但那些发现还远缺陷以证明地外生命的趋于稳定——这不要奇怪,而且克努森所谈论的绝大多数都还可以 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都还可以 近。不过,克努森及一些天文学家而且现在开使探测更多较小的太阳系外的大气。那些被称为“超级地球”,质量介于2~10个地球质量之间——即使在10年前,都如此人会想过,会发现如此 的。2013年4月,开普勒空间望远镜敲定 发现了两颗大小缺陷地球2倍的,它们的温度都允许生命趋于稳定,之类发现暗示,生命宜居的真是少许趋于稳定。而且,真是这两颗(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,如此人歌词 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都还可以 现在开使观测太阳系外的大气,而且第一批太阳系外都还可以 间接发现的——天文学家观测到了它们对宿主恒星的影响。那些一种是无法看见的,但而且恒星和绕着一并的引力中心运动,的引力会使得恒星来回运动。当恒星朝如此人歌词 儿运动时,它所发出的光会向可见光谱的蓝端趋于稳定微小的偏移;当它远离如此人歌词 儿时,它所发出的光则会向红端移动。偏移的程度能不到告诉天文学家这颗恒星的视向深度图,即它朝向而且远离地球运动的深度图有多快;反过来,这不都还可以 别问如此人歌词 儿,太阳系外的质量有多大。

  然而,寻找太阳系外的最好的办法不要止之类种。而且从地球上看,一颗不可见的轨道正好是侧向对着如此人歌词 儿的,那它就会从宿主恒星的前面直接经过,之类大大问题被称为凌星。不过,在第一批太阳系外被发现前的近20年,几乎根本如此物理学家考虑过凌星大大问题,意味很简单,当时搜索太阳系外一种仍趋于稳定研究领域的边缘。[一三个小值得注意的例外是,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一三个小停车场里,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大大问题。这颗被称为HD209458b,早先由视向深度图最好的办法发现。几周如此 ,和马西一并,美国立大学的格雷戈里?W?亨利(Gregory W. Henry)也想看 了同一颗的凌星大大问题。而且一并发表了探测结果,而且之类三个小团队分享了发现权。

  成功观测到凌星大大问题不仅给天文学家提供了寻找太阳系外的第二条途径,还赋予了如此人歌词 儿测量密度的一种手段。视向深度图法能不到测量HD209458b的质量。而在凌星大大问题中,而且恒星光线被遮挡的有几个正比于的大小,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,真是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)把之类意料之外的结果称为“一三个小有待解释的大大问题”。]

  到之类如此 ,一大批物理学家意识到,利用凌星大大问题,我说能不到研究太阳系外的大气,克努森把之类最好的办法称为“非常聪明的最好的办法”。但事实上,在科学家首次观测到凌星大大问题如此 ,美国麻省理工学院的物理学家、当时与夏博诺一并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,一三个小观测者会想看 那些样的情况报告(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(之类波长可是一种的形态学 波长)。而且要我 搜寻一种,就能不到用它的形态学 波长来观测。而且而且蕴藏之类的任何大气,都会吸收之类波长的光线,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,“而且有一些,你就能发现它。”他比任何人都清楚之类点:301年,夏博诺、布朗及其同事再次观测了凌星HD209458b,这次如此人歌词 儿用的不再是爱好者用的小型望远镜,可是哈勃望远镜。正如预言的那样,如此人歌词 儿很轻易地就探测到了钠的信号。

  天文学家们意识到,还趋于稳定一种补充性的最好的办法来探测凌星的大气。当一颗从宿主恒星前方经过时,观测者想看 的是它趋于稳定夜晚的一侧。在一些如此 ,它所呈现出的则共而且主次的向阳侧。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,且绝大主次集中在红外波段。

  然而,当运动到恒星后边时,它所发出的光会一三个小劲消失;它对该系统总辐射的贡献也会终止。而且物理学家做一三个小前后比较得话,如此人歌词 儿就能推测出这颗一种会是那些样子(见插图)。“之类最好的办法从根本上改变了如此人歌词 儿面对的大大问题,”克努森说,“现在,如此人歌词 儿要做的都还可以 在一三个小非常明亮的东西周边,去探测一三个小极为暗弱的东西,而可是监测信号随时间的变化情况报告。”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,旨在目睹之类所谓的次食(secondary eclipse),但我说并如此观测到之类大大问题。

  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能不到肯定能想看 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。如此人歌词 儿都获得了一定的观测时间,并取得了数据。戴明回忆说,在那如此 ,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。我听说你最近做了一些有意思的观测。我说如此人歌词 儿该聊一聊。”

  结果,戴明(与希格合作)和夏博诺使用同一架望远镜,几乎一并第一次观测到了次食。一三个小团队一并敲定 了如此人歌词 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,如此人预料到,作为探测太阳系外大气的工具,‘斯皮策’有如此强的能力和如此惊人的影响力。”实际上,希格说:“如此人歌词 儿现在使用‘哈勃’和‘斯皮策’的最好的办法,以及它们的观测精度,是当初建造这两台望远镜时所如此的想到的。”

  希格说,那些研究向如此人歌词 儿证明了一些东西。“在一种程度上,这听起来平淡无奇,但如此人歌词 儿发现类木星的温度真是很高。如此人歌词 儿测量了那些的亮度和温度”,而科学家观测到的结果与如此人歌词 儿预期的、恒星对加热的效果是相符的。她继续说,“如此人歌词 儿还探测到了一些。如此,现在如此人歌词 儿所发现的与非 与如此人歌词 儿所预期的大相径庭呢?肯定都还可以 如此 。”现在,物理学家能不到在一定温度下,利用一些元素,直接构建氯化氢气体 球模型,而且分析最终会形成那些。“物理生和熟学规律是普适的,”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都还可以 不能所不同。其中一些便是,温度是如保随着深度图变化的。一些,之类太阳系中的木星和土星,温度具有逆增性,即随着深度图的增加温度不降反升。另一些则不趋于稳定之类大大问题。“大大问题是,”克努森说,“如此人歌词 儿并别问我是那些意味造成了温度逆增大大问题,而且如此人歌词 儿也无法预言,那些太阳系外会而且不要具有如此 的形态学 。”一些物理学家认为,具有逆温性的太阳系外而且蕴藏一些吸热的,之类氧化钛,但到目前为止这还仅仅是一三个小。

  科学家面临的如此 大大问题是,一些的大气组成与非 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,推测出之类的大气的含碳量异常高,与氧元素相当。

  从理论上推测,而且在同一系统中,一些更小的上的碳氧比超过0.8得话(考虑到都形成于同一三个小氯化氢气体 和尘埃盘中,这是很有而且的),如此那些就会形成由碳化物——蕴藏碳的矿物——构成的“岩石”,而都还可以 如此人歌词 儿太阳系暗蕴藏硅的硅酸盐岩石。而且之类大大问题真是趋于稳定,如此WASP-12系统中一颗地球大小的我说就会由钻石构成。

  希格和此人 所撰写的论文提出,目前无法排除一些主可是由碳甚至是铁所构成的而且。然而,对于WASP-12而言,事情或许不要如此。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,还混杂一三个小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,留下了一些大大问题。

  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。如此近的距离使得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。“它是每此人 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,他目前正在分析一三个小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型矮星周边的。夏博诺的想法是,比起更大的恒星而言,在那些相对较小,而且比较暗弱的恒星周边寻找较小的凌星会更加容易。首先,对于如此 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,而且恒星较小,温度较低,其宜居带会比高温的类太阳恒星更靠近自身,使得凌星大大问题会更而且被观测到(而且轨道与恒星较近得话,不到严格地侧向面对观测者,不都还可以 产生凌星大大问题)。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,而在之类距离内,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,如夏博诺和此人 在发现GJ1214b后不久便意识到的,之类密度能不到有多种不同的解释。之类,这颗能不到是由一三个小较小的岩质核心,外加一三个小巨大的绝大主次是氢的大气层所构成;它不都还可以 不到一三个小较大核心,核心外周是较深的液态海洋,再外加一层蕴藏水份的稀薄大气。仅仅根据密度,科学家无法判别哪种而且性最大——尽管拥有海洋的而且性会更令人兴奋,而且液态水是如此人歌词 儿所知的生命趋于稳定的必要条件(但不都还可以 不能充分条件)。

  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,希望能想看 这颗可视大小的变化(表征其大气的深度图)时,他没想看 任何变化。这意味一种而且性:要么这颗而且具一三个小巨大的氢大气层,但其中充满着的云和霾使之难以探测;要么它一三个小薄而多水的大气层,它薄到无法被地面上的望远镜看见。2012年现在开使和比恩合作的克莱德伯格说,之之类于从远处看一道山脉。“那里我说有一些个山峰,”她解释说,“但而且你距离太远得话,山脉看起来就会像根小平整的线。”

  为了除理之类大大问题,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(也可是围绕地球运转30周的时间);如此人歌词 儿的观测而且现在开使。这不都还可以 不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。运气好得话,之类观测将最终会弄清楚,GJ 1214b与非 一三个小水世界。

  而且对太阳系外的搜寻而且持续了一定的时间,天文学家已现在开使寻找那些有着较长轨道周期的。那些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,如此人歌词 儿都一三个小劲局限在温度为30开、30开的,它们的温度真是太高了,”美国理工学院的克努森说。在那些上,“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30开以下时,碳和氧会形成甲烷。”

  尽管趋于稳定着不选择性(而且纯粹的地质活动不都还可以 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——由一三个小氧原子组成的高活性,更而且是生命趋于稳定的信号。但而且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如此,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那些上的各种活动迹象。“所有之类切仅仅是一三个小,”希格说,“我的意思是,研究超级地球真是很有意思,但对于像我如此 的人来说,之类只不过是一块垫脚石,如此人歌词 儿最终的研究对象,而且是真正的‘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,而且还如此找到一些“地球”。即便有了那些强大的设备,希格说,也大约成千上万个观测小时,才而且找到一些“地球”。就算到那个如此 所以要会清楚,到底能不到探测到生命迹象。为此,天文学家而且仍然都还可以 “类地搜索者”(Terrestrial Planet Finder),但之类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而且超出了任何人在20世纪90年代的预期,希格甚至而且能不到谈论找到生命迹象的真实前景。如此人歌词 儿所希望的,已不仅仅是外星文明会发现如此人歌词 儿,向如此人歌词 儿发送信号,如此人歌词 儿而且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而且的,而且它们的宿主恒星所发出的光太亮了。

  然而,当科学家现在开使研究太阳系外运动到宿主恒星后方的情景时,如此人歌词 儿意识到由此意味的恒星亮度变化能不到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。如此人歌词 儿希望调慢能把之类研究拓展到可为外星生命的趋于稳定提供的身上。

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