乐米彩票官方版app下载环球科学》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10009年起,就总是在超过1000000颗的近距恒星,观测当一颗从宿主恒星和地球之间经过时导致 的恒星亮度下降。你你什儿 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。

  从经验丰沛 的物理学家,到初出茅庐的科学记者,当时在场的每有4买车人都在会忘记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2个月前,大学的米切尔?梅厄(Michel Mayor)和迪迪埃?奎罗兹(Didier Queloz)曾否认,他发现了第一颗原本的——飞马51b(51 Pegasi b)。不过,刚发现飞马51b时,科学家还认为这你说什么都有偶然发现,肯能甚至肯能是个错误。在发布会上,马西肯能可需要确信地说,这既都在偶然也都在错误,他告诉观众,“根本就不罕见”。

  你你什儿 发现了天文学界。前一天,肯能科学家自认为寻找太阳系外过于困难,什么都有有几乎如此人搜寻它们。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。

  肯能巴特勒和马西仅仅是处置了有五个有关形成理论的问提,如此亲戚亲戚朋友 的发现无需引起如此大的轰动。事实上,亲戚亲戚朋友 的发现不仅证明太阳系外着实占据 ,什么都有有在哪此的发现还肯能回答有五个古希腊以来就总是困扰着哲学家、科学家乃至家的问提:亲戚亲戚朋友 在含高无孤独?

  在最初的欢庆前一天,科学家决定弄清楚,怎么才能 才能 并能查明在哪此围绕什么都有有恒星转动的上,到底有如此哪怕是最原始的生命形式。肯能至今科学家还如此像电影《超旧旧时光 接触》(Contact)中的朱迪?福斯特(Jodie Foster)那样,截获外星人发来的讯息,什么都有有什么都有实现你你什儿 目标,就如此在太阳系外的大气中寻找生命迹象,也什么都有高活性占据 的。类似氧气,除非有四种 可进行新陈代谢的生物体不断补充,什么都有有氧气更快就会消失。

  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,而你你什儿 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,绝都在一时半会儿就可需要做到的。

  但亲戚亲戚朋友 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什儿 领域,我我想要你什儿 领域成为了物理学中最热门的研究方向。一并,什么都有有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,也使你你什儿 领域很快发展。到10001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,什么都有有肯能次责是由钻石所组成的。“到目前为止,肯能算上还如此发表的结果,亲戚亲戚朋友 肯能对1000~1000颗的大气有了一定的了解,”参与了什么都有有开创性观测的、美国理工学院的物理学家希瑟?克努森(Heather Knutson)说。

  但哪此发现还远占据 问题以证明地外生命的占据 ——这不须奇怪,肯能克努森所谈论的绝大多数都在温度很高的类木,它们到人及宿主恒星的距离,比水星到太阳的距离需要近。不过,克努森及什么都有有天文学家肯能然后结束了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,都如此人会想过,会发现原本的。2013年4月,开普勒空间望远镜否认发现了两颗大小占据 问题地球2倍的,它们的温度都允许生命占据 ,你你什儿 发现暗示,生命宜居的着实几瓶占据 。什么都有有,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,亲戚亲戚朋友 就能在类地的大气中寻找生命迹象。

  天文学家曾一度认为,要花几十年的时间并能然后结束了观测太阳系外的大气,肯能第一批太阳系外都在间接发现的——天文学家观测到了它们对宿主恒星的影响。哪此四种 是无法看见的,但肯能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。当恒星朝亲戚亲戚朋友 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;当它远离亲戚亲戚朋友 时,它所发出的光则会向红端移动。偏移的程度可需要告诉天文学家这颗恒星的视向带宽,即它朝向肯能远离地球运动的带宽有多快;反过来,这并能问亲戚亲戚朋友 ,太阳系外的质量有多大。

  然而,寻找太阳系外的法律方法不须止你你什儿 种。肯能从地球上看,一颗不可见的轨道正好是侧向对着亲戚亲戚朋友 的,那它就会从宿主恒星的前面直接经过,你你什儿 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,几乎根本如此物理学家考虑过凌星问提,导致 很简单,当时搜索太阳系外四种 仍占据 研究领域的边缘。[有五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有五个停车场里,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,早先由视向带宽法律方法发现。几周前一天,和马西一并,美国立大学的格雷戈里?W?亨利(Gregory W. Henry)也看完了同一颗的凌星问提。肯能一并发表了探测结果,什么都有有这有五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,还赋予了亲戚亲戚朋友 测量密度的四种 手段。视向带宽法可需要测量HD209458b的质量。而在凌星问提中,肯能恒星光线被遮挡的2个正比于的大小,什么都有有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的质量如此木星的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)把你你什儿 意料之外的结果称为“有五个有待解释的问提”。]

  到你你什儿 前一天,一大批物理学家意识到,利用凌星问提,你说可需要研究太阳系外的大气,克努森把你你什儿 法律方法称为“非常聪明的法律方法”。但事实上,在科学家首次观测到凌星问提前一天,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,有五个观测者会看完哪此样的情况报告(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(你你什儿 波长什么都有四种 的形态波长)。肯能帮我 搜寻四种 ,就可需要用它的形态波长来观测。肯能假如有一天含高你你什儿 的任何大气,都在吸收你你什儿 波长的光线,什么都有有大气会变得不透明,使得看上去更大。

  希格和萨塞洛夫提出,钠有点痛 易于探测。“钠就像臭鼬的臭味,”夏博诺说,“假如有一天有什么都有有,你就能发现它。”他比任何人都清楚你你什儿 点:10001年,夏博诺、布朗及其同事再次观测了凌星HD209458b,这次亲戚亲戚朋友 用的不再是爱好者用的小型望远镜,什么都有哈勃望远镜。正如预言的那样,亲戚亲戚朋友 很轻易地就探测到了钠的信号。

  天文学家们意识到,还占据 四种 补充性的法律方法来探测凌星的大气。当一颗从宿主恒星前方经过时,观测者看完的是它占据 夜深 的一侧。在什么都有有前一天,它所呈现出的则最少是次责的向阳侧。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,当运动到恒星里边时,它所发出的光会总是消失;它对该系统总辐射的贡献也会终止。肯能物理学家做有五个前后比较的话,亲戚亲戚朋友 就能推测出这颗四种 会是哪此样子(见插图)。“你你什儿 法律方法从根本上改变了亲戚亲戚朋友 面对的问提,”克努森说,“现在,亲戚亲戚朋友 要做的都在在有五个非常明亮的东西附进,去探测有五个极为暗弱的东西,而什么都有监测信号随时间的变化情况报告。”早在10001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,旨在目睹你你什儿 所谓的次食(secondary eclipse),但你说并如此观测到你你什儿 问提。

  不过,和夏博诺一样,戴明也知道,计划于10003年发射的斯皮策空间望远镜几乎可需要肯定能看完次食。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。亲戚亲戚朋友 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,最少在10005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。我听说你最近做了什么都有有有意思的观测。你说亲戚亲戚朋友 该聊一聊。”

  结果,戴明(与希格合作法律方法)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。有五个团队一并否认了亲戚亲戚朋友 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:“亲戚亲戚朋友 现在使用‘哈勃’和‘斯皮策’的法律方法,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,哪此研究向亲戚亲戚朋友 证明了什么都有有东西。“在四种 程度上,这听起来平淡无奇,但亲戚亲戚朋友 发现类木星的温度着实很高。亲戚亲戚朋友 测量了哪此的亮度和温度”,而科学家观测到的结果与亲戚亲戚朋友 预期的、恒星对加热的效果是相符的。她继续说,“亲戚亲戚朋友 还探测到了什么都有有。如此,现在亲戚亲戚朋友 所发现的是是不是与亲戚亲戚朋友 所预期的大相径庭呢?肯定都在原本。”现在,物理学家可需要在一定温度下,利用什么都有有元素,直接构建甲烷气体球模型,什么都有有分析最终会形成哪此。“物理和益学规律是普适的,”希格说。

  然而,西格和什么都有有物理学家也知道,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在所不同。其中什么都有有便是,温度是怎么才能 才能 随着深度图变化的。什么都有有,类似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。另什么都有有则不占据 你你什儿 问提。“问提是,”克努森说,“亲戚亲戚朋友 并问你是哪此导致 造成了温度逆增问提,什么都有有亲戚亲戚朋友 也无法预言,哪此太阳系外会肯能无需具有原本的形态。”什么都有有物理学家认为,具有逆温性的太阳系外肯能含高什么都有有吸热的,类似氧化钛,但到目前为止这还仅仅是有五个。

  科学家面临的原本问提是,什么都有有的大气组成是是不是和什么都有有所有不同。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,推测出你你什儿 的大气的含碳量异常高,与氧元素相当。

  从理论上推测,肯能在同一系统中,什么都有有更小的上的碳氧比超过0.8的话(考虑到都形成于同有五个甲烷气体和尘埃盘中,这是很有肯能的),如此哪此就会形成由碳化物——含高碳的矿物——构成的“岩石”,而都在亲戚亲戚朋友 太阳系含高高硅的硅酸盐岩石。肯能你你什儿 问提着实占据 ,如此WASP-12系统中一颗地球大小的你说就会由钻石构成。

  希格和买车人所撰写的论文提出,目前无法排除什么都有有主什么都有由碳甚至是铁所构成的肯能。然而,对于WASP-12而言,事情或许不须如此。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,还混杂有有五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,留下了什么都有有问提。

  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。如此近的距离使得GJ1214b相对易于研究,什么都有有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。“它是每买车人都钟爱的‘超级地球’,”美国大学的研究生劳拉?克莱德伯格(Laura Kreidberg)说,他目前正在分析有五个观测项目所获得的数据。

  GJ1214b于10009年由“M地球”计划发现,该计划由夏博诺牵头,旨在搜寻M型矮星附进的。夏博诺的想法是,比起更大的恒星而言,在哪此相对较小,什么都有有比较暗弱的恒星附进寻找较小的凌星会更加容易。首先,对于原本的恒星,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,进而选取的密度。其次,肯能恒星较小,温度较低,其宜居带会比高温的类太阳恒星更靠近自身,使得凌星问提会更肯能被观测到(肯能轨道与恒星较近的话,需要严格地侧向面对观测者,并能产生凌星问提)。最后,中M型矮星的数量要远远大于类太阳恒星——最少有21000颗M型矮星与地球的距离在1000光年之内,而在你你什儿 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,如夏博诺和买车人在发现GJ1214b后不久便意识到的,你你什儿 密度可需要有多种不同的解释。类似,这颗可需却说由有五个较小的岩质核心,外加有五个巨大的绝大次责是氢的大气层所构成;它也可需要有有五个较大核心,核心外周是较深的液态海洋,再外加一层含高水份的稀薄大气。仅仅根据密度,科学家无法判别哪种肯能性最大——尽管拥有海洋的肯能性会更令人兴奋,肯能液态水是亲戚亲戚朋友 所知的生命占据 的必要条件(但并都在充分条件)。

  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,希望能看完这颗可视大小的变化(表征其大气的深度图)时,他没看完任何变化。这导致 四种 肯能性:要么这颗肯能具有有五个巨大的氢大气层,但其中充满着的云和霾使之难以探测;要么它有有五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年然后结束了和比恩合作法律方法的克莱德伯格说,类似似于从远处看一道山脉。“那里你说有什么都有有个山峰,”她解释说,“但肯能你距离太远的话,山脉看起来就会像一根平整的线。”

  为了处置你你什儿 问提,比恩及其同事申请到了哈勃空间望远镜1000个轨道的观测时间(也什么都有围绕地球运转1000周的时间);亲戚亲戚朋友 的观测肯能然后结束了。这并都在天文学家第一次用“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10009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。运气好的话,你你什儿 观测将最终会弄清楚,GJ 1214b是是不是有五个水世界。

  肯能对太阳系外的搜寻肯能持续了一定的时间,天文学家已然后结束了寻找哪此有着较长轨道周期的。哪此远离它们的宿主恒星,什么都有有会比早先发现的热类木星的温度低。“长久以来,亲戚亲戚朋友 都总是局限在温度为10000开、10000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,“真正有意思的事情冒出在当温度降低到10000开以下时,碳和氧会形成甲烷。”

  尽管占据 着不选取性(肯能纯粹的地质活动并能产生甲烷),但作为生物活动的信号,甲烷尤其吸引人。氧,尤其是臭氧——由有五个氧原子组成的高活性,更肯能是生命占据 的信号。但肯能臭氧的光谱信号很微妙,有点痛 在相对较小的类地大气中更是如此,什么都有有臭氧也极难探测。

  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。“所有你你什儿 切仅仅是有五个,”希格说,“我的意思是,研究超级地球着实很有意思,但对于像我原本的人来说,类似只不过是一块垫脚石,亲戚亲戚朋友 最终的研究对象,肯能是真正的‘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,肯能还如此找到什么都有有“地球”。即便有了哪此强大的设备,希格说,也最少成千上万个观测小时,才肯能找到什么都有有“地球”。就算到那个前一天什么都有须会清楚,到底可需要探测到生命迹象。为此,天文学家肯能仍然需要“类地搜索者”(Terrestrial Planet Finder),但你你什儿 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肯能超出了任何人在20世纪90年代的预期,希格甚至肯能可需要谈论找到生命迹象的真实前景。亲戚亲戚朋友 所希望的,已不仅仅是外星文明会发现亲戚亲戚朋友 ,向亲戚亲戚朋友 发送信号,亲戚亲戚朋友 肯能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肯能的,肯能它们的宿主恒星所发出的光太亮了。

  然而,当科学家然后结束了研究太阳系外运动到宿主恒星后方的情景时,亲戚亲戚朋友 意识到由此导致 的恒星亮度变化可需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。亲戚亲戚朋友 希望更快能把你你什儿 研究拓展到可为外星生命的占据 提供的身上。

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