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2022-05

地球村的科学家如何发现“千星之城”?

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艺术家展示的 TRAPPIST-1 行星系统概念图。基于有关行星直径、质量和与主星距离的可用数据。韦布天文望远镜预计将于2022年夏天开始科学观测。(NASA/JPL)

题图:艺术家展示的 TRAPPIST-1 行星系统概念图。基于有关行星直径、质量和与主星距离的可用数据。韦布天文望远镜预计将于2022年夏天开始科学观测。(NASA/JPL)


经过长达数十年的开发、改进、测试、发射、展开以及最近的光学对准和仪器校准后,人类历史上最强大的太空望远镜即将取得成果。虽然NASA已经发布了许多詹姆斯韦布太空望远镜光学系统收集的“第一道光”,实际上,让所有的镜子都启动运行并使之具有实际科学观测意义,距离韦布发回第一张“惊掉下巴的相片”,可能还需要几个月的时间。


韦布的建造已经进行了多年,天文学家们的观测规划和准备工作也是如此。其中,许多工作都与宇宙的早期历史、恒星、星系的形成以及其他宇宙学领域有关,但一个前所未有的地外行星“观测子集”也在筹备中。


我们已经讨论了韦布团队早期发布的科学计划,该计划涉及对巨大的热木星行星的观测,以了解它们的大气层,并作为一种收集经验数据的方式,以指导行星科学家们在未来更好地使用韦布仪器。


现在,我们将研究一些更为具体的韦布观测计划和任务,并将收集有关银河系中至少 1000 亿颗地外行星所代表集合的一些主要特征和奥秘。


这将通过使用包括透射光谱在内的多种技术来完成——当行星从其母星前经过时,收集和分析透过地外行星大气层的母星光谱。韦布将以前所未有的性能来表征已知的多种地外行星的大气多样性,比如:相较于我们的太阳,温度更低和更暗淡的红矮星(迄今为止银河系中最常见的恒星)能否维持其行星的大气?对地外行星大气化学成分的高灵敏度的分析研究;以及关于TRAPPIST-1 地外行星系的许多可能性,这是一个距离太阳系较近的,包含七颗类地岩石行星的系统。

艺术家对 GJ 1214b 的诠释,这是韦布“第一轮观测”中即将研究的行星之一。已知这颗行星被浓厚的大气层覆盖,科学家们预计韦布将以前所未有的能力观测其大气的化学物质。(NASA)


艺术家对 GJ 1214b 的诠释,这是韦布第一轮观测中即将研究的行星之一。已知这颗行星被浓厚的大气层覆盖,科学家们预计韦布将以前所未有的能力观测其大气的化学物质。(NASA


我们太阳系的一个谜团是它没有任何“超级地球”(半径为地球的 1.5 倍的行星)或任何“迷你海王星”(半径为地球的 1.8 倍,但比海王星半径小的行星)。开普勒太空望远镜发现,这些大小的行星,是迄今为止银河系中最常观察到的行星。因此,行星科学家渴望更多地了解它们的大气层、它们的组成以及推断它们的演变模式,以此来了解更多关于它们如何形成,以及为什么它们没有在我们的太阳系中形成的信息。


一个由 NASA 艾姆斯研究中心的 Natasha Batalha 领导的小组被分配到了令人妒忌的141个观测小时(韦布的使用是按科学家申请的小时数来计算的——小编注)来研究这些大小和质量范围内的11 颗行星(一些是岩石行星,一些是气态行星)。


华盛顿卡内基科学研究所的科学家,项目联合研究员 Johanna Teske表示,他们的主要研究目标,包括确定这个大小范围内的行星是否与其有大气层有直接关系,以及这些行星可能拥有什么样的大气成分。

Johanna Teske 是卡内基科学研究所的科学家。(卡内基研究所)


Johanna Teske 是卡内基科学研究所的科学家。(卡内基研究所)


当最初形成时,像这样的行星通常在它们周围有一层氢和氦的“包层”,也叫做“原初大气层”。随后,这些行星可以拥有一个“次代大气”,其中包括从行星内部循环到外层大气的分子——如:二氧化碳、甲烷、水蒸气等等。


这些行星周围可能有厚厚的云层和雾,这使得目前的望远镜几乎不可能探测到这些易挥发的次代大气元素。但韦布是一台红外望远镜,它使用的波长可以穿透行星的外层云雾。再加上前所未有的精度,它能够以高超的方式识别次代大气的成分。


在这次从"超级地球""迷你海王星"的行星普查中,还有一个令人费解的下降趋势,1.7倍地球半径范围内的行星,比那些稍大或稍小的行星少得多。“也许,这种统计下降会让我们深入了解这种大小范围内的行星是如何形成的。”Teske说,“或者说,为何没有形成——如果考虑这种异常统计趋势的话。”

上图是基于行星半径的每颗恒星拥有的平均行星数量的统计。正如开普勒望远镜所观察到的,尺寸相当于地球半径 1.6 到 1.8 倍之间的行星平均数量急剧下降,但原因尚不清楚。这是行星科学家非常感兴趣的问题之一。(Benjamin Fulton 和 Erik Petagura,天文杂志)


上图是基于行星半径的每颗恒星拥有的平均行星数量的统计。正如开普勒望远镜所观察到的,尺寸相当于地球半径 1.6 到 1.8 倍之间的行星平均数量急剧下降,但原因尚不清楚。这是行星科学家非常感兴趣的问题之一。(Benjamin Fulton 和 Erik Petagura,天文杂志)

Teske 还提醒道,长期以来,认为我们的太阳系没有超级地球迷你海王星大小的行星的观点,可能有一天需要打一个星号。因为许多天文学家已经在我们太阳系的边缘,发现一颗新行星的初步迹象,这颗行星的大小可能远远超出冥王星。有时被称为行星9或行星X,它是近年来大量科学辩论的主题,并且有朝一日,就行星构成而言,它可能会使我们的太阳系成为一个更传统的太阳系。


行星科学中更紧迫的问题之一,是围绕红矮星(或M矮星)运行的行星是否拥有大气层。这个问题是如此重要,因为我们银河系中大约 75% 的恒星,以及离我们最近的 60 颗恒星中的 50 颗,都是这种类型的恒星。与我们自己的太阳相比,红矮星相对较小且凉爽,经常被比水星轨道更近的行星环绕。

上图显示一颗被假想的行星环绕的红矮星。当它们年轻时,红矮星往往具有磁性,显示出巨大的弧形突起和大量的太阳黑子。红矮星也会爆发强烈的耀斑,随着时间的推移,可能会剥离附近行星的大气层,或者使其表面不适合生命存在。(NASA/ESA)


上图显示一颗被假想的行星环绕的红矮星。当它们年轻时,红矮星往往具有磁性,显示出巨大的弧形突起和大量的太阳黑子。红矮星也会爆发强烈的耀斑,随着时间的推移,可能会剥离附近行星的大气层,或者使其表面不适合生命存在。(NASA/ESA)



“第一轮观测”项目将使用韦布集中观测 9 颗围绕红矮星运行的行星,以确定它们是否有大气层。在约翰霍普金斯大学应用物理实验室 (APL) 的首席研究员 Kevin Stevenson APL 的联合研究员 Jacob Lustig-Yaeger 的带领下,该团队将在寻找可居住行星的过程中解决这个基本问题。


围绕红矮星运行的行星的宜居性问题,主要基于这样一个事实,即该类行星离其母星如此之近,它们很可能会被潮汐锁定(一侧总是面对它的母星,就像我们的月球被地球潮汐锁定一样),而且红矮星在它们相对较早期的演化中,往往会爆发大型的太阳耀斑。这些耀斑是否能够并且永久地对其较近的轨道行星进行“消杀”,一直是天体物理学界激烈争论的话题。


但现在,Stevenson 说,韦布将能够确定是否红矮星行星上存在大气层,如果有,这些大气层将有多普遍。如果发现大气,下一步将尽可能详细地说明存在哪些化学物质。Stevenson说:“如果我们研究的所有或许多围绕红矮星运行的行星都有大气层,那将告诉我们应该研究它们是否具备生命宜居的条件。” “但如果它们没有大气层,那么我们就必须重新考虑可支持生命行星的寻找策略。”


该研究还将研究行星轨道迁移的作用——从更远的,远离耀斑的轨道,到后来更靠近的轨道——是否会影响红矮星的行星形成大气层,以及“不可避免地,对红矮星行星的这些研究,将为生命起源问题带来哪些新的研究火花。”


TRAPPIST-1行星系,几乎被普遍认为是迄今为止发现的最引人注目的地外行星系之一。它有七颗靠近其主星运行的岩石行星,密度都非常相似,其中三颗似乎位于系统的宜居带内——水可以液态存在的轨道距离。

围绕它们的主星运行的TRAPPIST-1 地外行星的三个可能的内部结构,距离我们相对较近,仅41光年。所有七颗行星的密度都非常相似,因此它们可能具有相似的成分。(NASA/JPL)

围绕它们的主星运行的TRAPPIST-1 地外行星的三个可能的内部结构,距离我们相对较近,仅41光年。所有七颗行星的密度都非常相似,因此它们可能具有相似的成分。(NASA/JPL

TRAPPIST-1e 是其中最宜居的行星之一,将成为韦布“第一轮观测”运行的焦点。TRAPPIST-1e 拥有类似于地球的质量、半径、密度、重力、温度以及它接收的每个相对单位的阳光量。还已经证实,这颗行星没有以氢为主的大气层,这意味着它更有可能更像我们太阳系中的类地行星一样,拥有紧凑的大气层。(氢是一种强烈的温室气体,以氢为主导的大气成分,会使行星表面无法宜居)


康奈尔大学卡尔萨根研究所的博士后 Ryan MacDonald 将成为分析 TRAPPIST-1e 观测数据团队的一员,该团队由康奈尔大学天体物理学家 Nikole Lewis 领导。

Ryan Macdonald康奈尔大学的博士后研究员,也是 Nikole Lewis 领导的韦布观测小组的成员。(康奈尔)


Ryan Macdonald康奈尔大学的博士后研究员,也是 Nikole Lewis 领导的韦布观测小组的成员。(康奈尔)


“地外行星大气中的二氧化碳非常容易被检测到,我们认为我们会看到它,”他说。“如果我们做到了,那么我们将继续研究大气水蒸气,然后是甲烷。这些组分可以是地质或生物的,但如果我们找到它,我们就会寻找与生命相关的气体。”Macdonald说,虽然很可能在“第一轮观测”期间发现二氧化碳,但其他分子在未来几年将需要更多的观测时间。


要找到的最重要的气体可能是氧气,但它需要在韦布可用的光谱波长中观察到不太可能的 1,000 次凌日。如果一个团队有足够的观测时间,它可以寻找臭氧作为替代物——一种异化的氧元素分子,需要大约 100 200 次凌日数据,这更可行,但也可能需要观测超过数年。


TRAPPIST-1e 大气中发现甲烷和臭氧,将是潜在的生命信号,但同时进行这两项检测将牵扯到更多复杂的工作。


当然,TRAPPIST-1e 也可能是一块没有任何大气的光秃秃的岩石球。在六天的公转周期内绕着它的母恒星运行,可能在其演化历史的早期,已被来自母星的耀斑“消杀”过了。


到目前为止,使用众多望远镜进行的观测,还没有发现行星周围的大气或化学物质,这可能是由于行星周围有厚厚的云层造成的,或者它确实是一块裸露的岩石。尽管如此,许多 TRAPPIST-1 的观测结果令人兴奋不已。


“我们知道已知的未知,但肯定会有我们未知的未知,”Macdonald说。“而且因为 TRAPPIST-1e 具有诸多与宜居行星一致的特征,它有很多东西要告诉我们。”

艺术家对 HD 189733 b 的渲染图,这是一颗被充分研究的热木星行星。韦布将被用于深入研究其大气化学成分,以更加了解这颗行星,并了解巨型望远镜能做和不能做什么。(美国国家航空航天局)


艺术家对 HD 189733 b 的渲染图,这是一颗被充分研究的热木星行星。韦布将被用于深入研究其大气化学成分,以更加了解这颗行星,并了解巨型望远镜能做和不能做什么。(美国国家航空航天局)



HD 189733b 是热木星行星的典型。它于 2005 年被发现,非常大(半径比我们的木星还大 13%),非常明亮,有很高的信噪比——即所需观测的信号相对于背景噪声的强度,因此它的化学成分可能很容易被获得,马里兰大学教授Drake Deming提议用韦布对这颗行星进行“深入的分子研究”。

Drake Deming 是马里兰大学的研究教授,也是美国宇航局地外行星凌日调查卫星 (TESS/马里兰大学)的联合研究员。


Drake Deming 是马里兰大学的研究教授,也是美国宇航局地外行星凌日调查卫星 (TESS/马里兰大学)的联合研究员。

这项工作的目标是检测和量化在没有韦布强大的红外观测能力的情况下,不容易找到的化学物质——行星大气的氰化氢、一氧化碳、甲烷和二氧化硅,以及由不寻常过程产生的其他分子。

“我们想做的是观察最有利于收集数据的行星,并把它做得非常好,”Deming说。 “我们将寻找低丰度化学物质的最微弱信号,并希望通过这种方式向天文界展示望远镜可以做什么以及如何做。”

“天文学界想要了解宜居带岩石行星的化学和大气,他们想要寻找生物特征。但就像奥运会短跑运动员必须先学会走路才能跑步一样,像热木星这样一个巨大的星球,更容易理解和发现这种化学物质。”

“如果我们无法了解信噪比最高的巨行星的构成——拥有大量气体分子并且可以高灵敏度探测到——那么我们最终就没有真正的希望了解更冷、更小的行星。所以这是朝着这个方向迈出的第一步。”

Marc Kaufman(本文作者)

Marc Kaufman是两本关于太空的书的作者:《火星近距离:好奇号任务详解》和《第一次接触:寻找地外生命的科学突破》。他还是一位经验丰富的记者,曾在《华盛顿邮报》和《费城问询报》工作了 3 年。他于 2015 10 月开始撰写该专栏,当时 NASA NExSS 计划还处于起步阶段。虽然《多世界》专栏得到美国宇航局天体生物学计划的支持和通知,但所表达的任何意见仅代表作者本人。

原文链接

https://manyworlds.space/2022/03/28/the-worlds-most-capable-space-telescope-readies-to-observe-what-will-exoplanets-scientists-be-looking-for/?utm_content=bufferb2787&utm_medium=social&utm_source=linkedin.com&utm_campaign=buffer

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