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人类欲寻找新地球 探测太阳系外行星大气成首步

http://www.kexue.com 2013-12-27 09:45:19 环球科学  发表评论


开普勒空间望远镜从2009年起,就一直在监视超过100 000颗的近距恒星

银河系中充满了行星。科学们正在其他“地球”,竭力探测它们的大气,以此来寻找地外生命的迹象

  从经验丰富的天体物理学家,到初出茅庐的科学记者,当时在场的每一个人都不会忘记1996年1月的那场新闻发布会。这场发布会是在美国天文学会冬季会议上的召开的,美国旧金山州立大学的天文学家杰弗里-W-马西(Geoffrey W. Marcy)在发布会上宣布,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行星。而在此的几个月前,瑞士日内瓦大学的米切尔-梅厄(Michel Mayor)和迪迪埃-奎罗兹(Didier Queloz)曾宣布,他发现了第一颗这样的行星——飞马51b(51 Pegasi b)。不过,刚发现飞马51b时,科学家还认为这也许只是偶然发现,或者甚至可能是个错误。在发布会上,马西已经可以确信地说,这既不是偶然也不是错误,他告诉观众,“行星根本就不罕见”。

  这一发现震惊了天文学界。以前,由于科学家自认为寻找太阳系外行星过于困难,因此几乎没有人搜寻它们。而现在,仅对几颗恒星进行搜索之后,天文学家就发现了三颗行星,这表明还有数十亿颗行星有待发现。

  如果巴特勒和马西仅仅是解决了一个有关行星形成理论的问题,那么他们的发现不会引起那么大的轰动。事实上,他们的发现不仅证明太阳系外行星确实存在,而且在这些行星的发现还可能回答一个古希腊以来就一直困扰着哲学家、科学家乃至神学家的问题:我们在宇宙中是否孤独?

  在最初的欢庆之后,科学家决定弄清楚,如何才能查明在那些围绕其他恒星转动的行星上,到底有没有哪怕是最原始的生命形式。由于至今科学家还没有像电影《超时空接触》(Contact)中的朱迪-福斯特(Jodie Foster)那样,截获外星人发来的讯息,因此要是实现这个目标,就只能在太阳系外行星的大气中寻找生命迹象,也就是高活性分子存在的证据。例如氧气,除非有某种可进行新陈代谢的生物体不断补充,否则氧气很快就会消失。

  马西、梅厄和同事当年观测到的,仅仅是行星对宿主恒星的引力作用;要探测生命迹象,你必须直接对行星大气进行直接观测。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,而这个计划的高潮部分,则是在轨空间望远镜“类地行星搜索干涉仪”(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,对太阳系外行星大气的了解,绝不是一时半会儿就可以做到的。

  但他们错了。最初几颗太阳系外行星的发现,激励了整整一代的年轻科学家投身这个领域,让这一领域成为了天体物理学中最热门的研究方向。同时,许多资深天文学家也转向了太阳系外行星的研究。众多优秀科学家的加入,为探测太阳系外行星的带来了全新的想法,也使这个领域迅速发展。到2001年,天文学家已在一颗太阳系外行星的大气中发现了钠。此后,又陆续发现了甲烷、二氧化碳、一氧化碳以及水。通过研究太阳系外行星的大气,天文学家甚至还发现有间接的证据表明,一些行星可能部分是由钻石所组成的。“到目前为止,如果算上还没有发表的结果,我们已经对30~50颗行星的大气有了一定的了解,”参与了许多开创性观测的、美国加州理工学院的天体物理学家希瑟-克努森(Heather Knutson)说。

  但这些发现还远不足以证明地外生命的存在——这并不奇怪,因为克努森所谈论的绝大多数行星都是温度很高的类木行星,它们到各自宿主恒星的距离,比水星到太阳的距离还要近。不过,克努森及其他天文学家已经开始探测更多较小的太阳系外行星的大气。这些行星被称为“超级地球”,质量介于2~10个地球质量之间——即使在10年前,都没有人会想过,会发现这样的天体。2013年4月,开普勒空间望远镜宣布发现了两颗大小不足地球2倍的行星,它们的温度都允许生命存在,这一发现暗示,生命宜居的行星其实大量存在。因此,虽然这两颗行星(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,他们就能在类地行星的大气中寻找生命迹象。

  凌星天体

  天文学家曾一度认为,要花几十年的时间才能开始观测太阳系外行星的大气,因为第一批太阳系外行星都是间接发现的——天文学家观测到了它们对宿主恒星的影响。这些行星本身是无法看见的,但由于恒星和行星绕着共同的引力中心运动,行星的引力会使得恒星来回运动。当恒星朝我们运动时,它所发出的光会向可见光谱的蓝端发生微小的偏移;当它远离我们时,它所发出的光则会向红端移动。偏移的程度可以告诉天文学家这颗恒星的视向速度,即它朝向或者远离地球运动的速度有多快;反过来,这也能告诉我们,太阳系外行星的质量有多大。

  然而,寻找太阳系外行星的方法并不止这一种。如果从地球上看,一颗不可见行星的轨道正好是侧向对着我们的,那它就会从宿主恒星的前面直接经过,这一现象被称为凌星。不过,在第一批太阳系外行星被发现前的近20年,几乎根本没有天体物理学家考虑过凌星现象,原因很简单,当时搜索太阳系外行星本身仍处于研究领域的边缘。[一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天体。]

  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行星的凌星现象。这颗行星被称为HD 209458b,早先由视向速度方法发现。几周之后,和马西一起,美国田纳西州立大学的格雷戈里-W-亨利(Gregory W. Henry)也看到了同一颗行星的凌星现象。由于同时发表了探测结果,因此这两个团队分享了发现权。

  成功观测到凌星现象不仅给天文学家提供了寻找太阳系外行星的第二条途径,还赋予了他们测量行星密度的一种手段。视向速度法可以测量HD 209458b的质量。而在凌星现象中,由于恒星光线被遮挡的多少正比于行星的大小,因此天文学家们就能知道行星的物理体积。[用质量除以体积显示,虽然HD 209458b的质量只有木星的71%,但它的密度却要比木星大38%。美国普林斯顿大学的天体物理学家亚当-巴罗斯(Adam Burrows)把这一意料之外的结果称为“一个有待解释的问题”。]

  到这个时候,一大批天体物理学家意识到,利用凌星现象,也许可以研究太阳系外行星的大气,克努森把这种方法称为“非常聪明的办法”。但事实上,在科学家首次观测到凌星现象之前,美国麻省理工学院的天体物理学家、当时与夏博诺一起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)联名发表了一篇论文,预言了当一颗行星正面经过宿主恒星,恒星光线穿过行星大气时,一个观测者会看到什么样的情形(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,不同的原子和分子会吸收不同波长的光(这个波长就是某种分子的特征波长)。如果你要搜寻某种分子,就可以用它的特征波长来观测行星。由于只要含有这种分子的任何大气,都会吸收这个波长的光线,因此行星大气会变得不透明,使得行星看上去更大。

  希格和萨塞洛夫提出,钠特别易于探测。“钠就像臭鼬的臭味,”夏博诺说,“只要有一点,你就能发现它。”他比任何人都清楚这一点:2001年,夏博诺、布朗及其同事再次观测了凌星行星HD 209458b,这次他们用的不再是爱好者用的小型望远镜,而是哈勃望远镜。正如预言的那样,他们很轻易地就探测到了钠的信号。

  次食现象

  天文学家们意识到,还存在一种补充性的办法来探测凌星行星的大气。当一颗行星从宿主恒星前方经过时,观测者看到的是它处于夜晚的一侧。在其他时候,它所呈现出的则至少是部分的向阳侧。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,但行星自身也会发光 ,且绝大部分集中在红外波段。

  然而,当行星运动到恒星后面时,它所发出的光会突然消失;它对该系统总辐射的贡献也会终止。如果天体物理学家做一个前后比较的话,他们就能推测出这颗行星本身会是什么样子(见插图)。“这种方法从根本上改变了我们面对的问题,”克努森说,“现在,我们要做的不是在一个非常明亮的东西附近,去探测一个极为暗弱的东西,而只是监测信号随时间的变化情况。”早在2001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,旨在目睹这一所谓的次食(secondary eclipse),但他说并没有观测到这一现象。

  不过,和夏博诺一样,戴明也知道,计划于2003年发射的斯皮策空间望远镜几乎可以肯定能看到次食。这两位彼此互不相识的天体物理学家为此都申请了“斯皮策”的观测时间。他们都获得了一定的观测时间,并取得了数据。戴明回忆说,在那之后,大概在2005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。也许我们该聊一聊。”

  结果,戴明(与希格合作)和夏博诺使用同一架望远镜,几乎同时第一次观测到了次食。两个团队同时公布了他们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HD 209458b,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行星HD 189733b的次食。“这开启了用‘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,没有人预料到,作为探测太阳系外行星大气的工具,‘斯皮策’有这么强的能力和如此惊人的影响力。”实际上,希格说:“我们现在使用‘哈勃’和‘斯皮策’的方式,以及它们的观测精度,是当初建造这两台望远镜时所没有的想到的。”

  行星的大气层

  希格说,这些研究向我们证明了一些东西。“在某种程度上,这听起来平淡无奇,但我们发现类木星的温度确实很高。我们测量了这些行星的亮度和温度”,而科学家观测到的结果与他们预期的、恒星对行星加热的效果是相符的。她继续说,“我们还探测到了一些分子。那么,现在我们所发现的是否与我们所预期的大相径庭呢?肯定不是这样。”现在,物理学家可以在一定温度下,利用一些元素,直接构建气体球模型,然后分析最终会形成哪些分子。“物理和化学规律是普适的,”希格说。

  然而,西格和其他天体物理学家也知道,尽管太阳系外行星的大气总体上相近,但每一颗行星在多个方面上都有所不同。其中一点便是,温度是如何随着高度变化的。一些行星,例如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。另一些行星则不存在这一现象。“问题是,”克努森说,“我们并不知道是什么原因造成了温度逆增现象,因此我们也无法预言,哪些太阳系外行星会或者不会具有这样的特征。”一些天体物理学家认为,具有逆温性的太阳系外行星可能含有一些吸热的分子,例如氧化钛,但到目前为止这还仅仅是一个假说。

  科学家面临的另一个问题是,某些行星的大气组成是否和其他行星所有不同。现任职于美国耶鲁大学的尼库-麦杜苏德汉(Nikku Madhusudhan)分析了太阳系外行星WASP-12b的可见光和红外信号,推测出这个行星的大气的含碳量异常高,与氧元素相当。

  从理论上推测,如果在同一行星系统中,其他更小的行星上的碳氧比超过0.8的话(考虑到行星都形成于同一个气体和尘埃盘中,这是很有可能的),那么这些行星就会形成由碳化物——富含碳的矿物——构成的“岩石”,而不是我们太阳系中富含硅的硅酸盐岩石。如果这一现象确实存在,那么WASP-12系统中一颗地球大小的行星也许就会由钻石构成。

  希格和其他人所撰写的论文提出,目前无法排除一些行星主要是由碳甚至是铁所构成的可能。然而,对于WASP-12而言,事情或许并非如此。克努森说,德国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,还混杂有一个更为暗弱的双星系统的光线,这对于解释WASP-12系统中行星的组成,留下了一些疑问。

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