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使用大氣信標搜尋外星生命的跡象?


博科園【博科園-科學科普】儘管近年來天文學家發現了數千顆系外行星,但確定它們是否適宜居住是一個重大挑戰。由於不能直接研究這些行星,科學家被迫尋找間接的跡象。由我們與在行星大氣中出現的有機生命聯繫在一起的化學副產品組成,這些被稱為生物特徵。插圖顯示了一顆被恆星光...

- 2017年12月30日04時26分
- 科學文摘 / 博科園

博科園

博科園-科學科普儘管近年來天文學家發現了數千顆系外行星,但確定它們是否適宜居住是一個重大挑戰。由於不能直接研究這些行星,科學家被迫尋找間接的跡象。由我們與在行星大氣中出現的有機生命聯繫在一起的化學副產品組成,這些被稱為生物特徵。

使用大氣信標搜尋外星生命的跡象?圖片

插圖顯示了一顆被恆星光照亮行星的大氣層,圖片版權:NASA戈達德太空飛行中心

美國航空航天局(NASA)一組科學家的一項新研究提出了一種尋找太陽系以外生命跡象的新方法。要利用來自年輕矮星頻繁的恆星風暴。這些風暴將巨大的恆星物質和輻射雲拋向太空,與太陽系外行星的大氣層相互作用,並產生可以被探測到的生物特徵。

這項名為「來自於G和K星外行星的大氣燈塔」的研究最近發表在《自然科學》雜誌上。由美國宇航局戈達德太空飛行中心(NASA戈達德太空飛行中心)的高級天體物理學家Vladimir s . Airapetian領導的團隊,包括來自NASA蘭利研究中心的成員、科學系統和應用公司(SSAI)和美國大學。

使用大氣信標搜尋外星生命的跡象?圖片

這樣的信息可以幫助研究人員識別潛在的宜居世界,圖片版權:NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk

傳統上,研究人員已經在外星大氣中尋找氧氣和甲烷的跡象,因為這些都是有機過程的著名副產品。隨著時間的推移,這些氣體積累,達到可以通過光譜學檢測到的數量。然而這種方法非常耗時,並且需要天文學家們花費數天時間來觀測來自遙遠星球的光譜。

但在潛在的宜居星球上搜索生物特徵是有可能的。這種方法將依賴現有的技術和資源,並將花費相當少的時間。正如Airapetian在NASA新聞發布中解釋的那樣:

「我們正在尋找從基本的先決條件到生命的分子——特別是分子氮,它占大氣的78%。」這些都是基本的分子,具有生物學上的友好性,並且具有強大的紅外發射能力,增加了我們探測它們的機會。

以地球上的生命為模板,Airapetian和他的團隊設計了一種新的方法,來觀察太陽系外行星的水蒸氣、氮氣和氧氣的副產品。然而真正的訣竅是利用活躍的矮星所發生的極端空間天氣事件。這些事件暴露了行星大氣層的輻射,引起了天文學家們可以選擇的化學反應。

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一顆遙遠系外行星上的紅巨星概念圖,圖片版權:University of Warwick/Mark Garlick.

當談到像我們的太陽這樣的恆星時,像g型的黃色矮星,這樣的天氣事件在他們還年輕的時候是很常見的。然而其他黃色和橙色的恆星在數十億年的時間裡仍然活躍,產生了充滿活力的帶電粒子的風暴。而m型(紅矮星)是宇宙中最常見的類型,在其漫長的生命周期中保持活躍,周期性地將它們的行星置於小型耀斑。

與大氣和反應引起的化學分離氮(N²)和氧(O²)氣體成單個原子,水蒸氣為氫氣,氧氣。分解的氮原子和氧原子會產生一連串化學反應,產生羥基(OH)、更多的分子氧(O)和一氧化氮(NO)——科學家稱之為「大氣信標」。

當星光照射到行星的大氣層時,這些指向標分子會吸收能量並發射紅外輻射。通過研究這種輻射的特定波長,科學家能夠確定哪些化學元素存在。這些元素的信號強度也是大氣壓力的一個指標。綜上所述,這些讀數使科學家能夠確定大氣的密度和組成。

幾十年來天文學家們還使用一個模型來計算臭氧(O³)是如何形成的地球大氣層氧氣是暴露於太陽輻射。使用同樣的模型——並將其與來自於活躍的恆星的太空天氣事件配對——Airapetian和他的同事們試圖計算出在類似地球的大氣中,究竟有多少一氧化氮和羥基會形成,以及臭氧將會被破壞多少。

NASA的計時宇宙飛船,它已經觀察地球的高層大氣15年了。圖片版權:NASA/JHU-APL

為了實現這一目標,他們查閱了美國國家航空航天局(NASA)的電離層電離層電離層動力學(合時間)的數據,該任務一直在研究地球大氣中的信標的形成。具體來說,他們使用的是大氣使用寬頻輻射測量儀(SABER)的數據,這使得他們能夠模擬出這些信標的紅外觀測結果如何出現在太陽系外行星的大氣層中。

正如美國國家航空航天局蘭利研究中心(Langley Research Center)的SABER副首席研究員馬丁·麥克林薩克(Martin

Mlynczak)和論文的合著者所指出的:「考慮到地球大氣層發射的紅外輻射,我們的想法是觀察系外行星,看看我們能探測到什麼樣的信號。」如果我們發現太陽系外行星的信號與地球的比例幾乎相同,我們可以說地球是一個很好的承載生命的候選者。

他們發現,強烈恆星風暴的頻率與來自大氣信號的熱量信號的強度直接相關。更多的風暴發生時,會產生更多的信標分子,產生足夠強的信號,用太空望遠鏡觀測到地球,只需要兩個小時的觀測時間。

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從月球(衛星)上看到的一顆系外行星。圖片:IAU

目前還發現這種方法可以清除那些沒有類似地球磁場的系外行星,它們自然地與來自太陽的帶電粒子相互作用。這樣一個能量場的存在,確保了一個行星的大氣沒有被剝離,因此對可居住性是至關重要的。

Airapetian解釋說:一顆行星需要一個磁場,它保護大氣,保護地球免受恆星風暴和輻射的影響。如果恆星風沒有如此極端地壓縮一顆系外行星的磁場靠近它的表面,磁場就會阻止大氣逸出,所以大氣中會有更多的粒子,產生更強的紅外信號。

這個新模式之所以重要,有幾個原因:一方面它展示了如何對地球大氣進行詳細的研究,以及它如何與太空天氣相互作用的研究,現在正被用於研究系外行星。它可以在某些恆星類別上對外行星適居性進行新的研究——從許多種類的黃色和橙色恆星到冷卻的紅矮星。

紅矮星是宇宙中最常見的恆星類型,在螺旋星系中占70%,橢圓星系中占90%。更重要的是,根據最近的發現,天文學家估計紅矮星很可能有岩石行星系統。研究小組還預測下一代空間儀器,如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將增加使用這個模型尋找可居住行星的可能性。

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這顆行星圍繞著星半人馬座阿爾法星(Alpha Centauri B)運行,它是距離地球最近的三星級系統的一員。圖片版權:ESO

正如戈達德高級天體物理學家、研究報告的合著者威廉·丹基(William Danchi)所說:關於太陽系外行星的生命潛力的新見解,關鍵在於跨學科研究,其中數據、模型和技術被應用於NASA戈達德的四個科學部門:太陽物理學、天體物理學、行星和地球科學。這種混合物為太陽系外行星的研究提供了獨特而強大的新途徑。

直到我們能夠直接研究系外行星的時候,任何使生物標記更容易識別、更容易檢測的發展都是非常有價值的。在未來的幾年裡,Blue Project Blue和Breakthrough Starshot希望能對半人馬座阿爾法星系進行第一次直接的研究。但與此同時,通過改進的模型,我們可以為那些潛在的可居住的系外行星進行調查,這些恆星是金色的!

也不僅能大大提高我們對這些行星的認識程度,而且還能讓我們指向一個或更多地球的方向。

知識:科學無國界,博科園-科學科普

參考:NASA, Nature Scientific Reports

作者:Matt Williams

來自:Universe Today

編譯:中子星

審校:博科園


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