在附近恒星的宜居帶上發(fā)現(xiàn)了地球大小的行星

2023.04.08 云南

簡(jiǎn)介：本文簡(jiǎn)單地介紹了TOI-700恒星及其3顆行星的概況，并解釋了液態(tài)水對(duì)宜居與否的重要性?？茖W(xué)家通過(guò)建立模型來(lái)推測(cè)此恒星可能存在的氣候。

一個(gè)藝術(shù)家對(duì)恒星宜居帶上的系外行星的印象。

美國(guó)宇航局一組研究其他恒星周?chē)行堑南低庑行翘煳膶W(xué)家聯(lián)系我參加一個(gè)保密會(huì)議，告訴我一個(gè)引起他們興趣的行星。因?yàn)槲业膶?zhuān)業(yè)領(lǐng)域在于模擬系外行星的氣候，他們讓我確定這顆新行星是否是適合居住且可能存在液態(tài)水的地方。

這些美國(guó)宇航局的同事，喬?！な├潞退膶W(xué)生艾米莉·吉爾伯特、湯姆·巴克利和埃莉莎·昆塔納，在研究TESS（系外行星凌星巡天衛(wèi)星）的數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了可能是TESS第一個(gè)觀測(cè)到的地球大小的行星，其表面可能存在液態(tài)水。這是令人振奮的消息，因?yàn)檫@個(gè)新行星離地球相對(duì)較近，通過(guò)詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡或地面大型望遠(yuǎn)鏡或?qū)⒂^測(cè)到它的大氣層。

宜居帶上的行星

吉爾伯特的研究小組發(fā)現(xiàn)的行星的寄主星被稱(chēng)為系外行星凌星巡天衛(wèi)星的興趣恒星700號(hào)，或TOI-700。與太陽(yáng)相比，他是個(gè)既渺小又黯淡的恒星，是太陽(yáng)40%的大小，大約僅有太陽(yáng)1/50的亮度，位于劍魚(yú)星座里距地球100光年的位置，在我們南半球可以觀測(cè)到。相對(duì)而言，離我們最近的恒星，比鄰星距離地球4.2光年。要了解這些距離，如果你搭乘最快的宇宙飛船（帕克太陽(yáng)探測(cè)器）抵達(dá)比鄰星需要將近2萬(wàn)年的時(shí)間。

TOI-700周?chē)腥w行星：b、c和d。行星d與地球同等大小，位于該恒星的宜居帶上，每37天繞TOI-700運(yùn)行一周。我的同事們希望我能利用恒星和行星已知的特性為恒星d建立一個(gè)氣候模型。行星b和c的大小分別為地球大小和迷你海王星大小。然而，它們的軌道離主星更近，接收到的星光是我們地球從太陽(yáng)接收到的星光的5倍和2.6倍。作為對(duì)照，表面干熱、溫度約為860華氏度的金星，接收到的太陽(yáng)光是地球的兩倍。

直至大約十年前，天文學(xué)家們僅知道宜居帶上兩顆大小不一的行星：地球與火星。然而，在過(guò)去的十年中，由于地面望遠(yuǎn)鏡和開(kāi)普勒計(jì)劃（2009年至2019年也在尋找系外行星，但目前已退役），天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了大約12顆地球大小的系外行星。他們位于其寄主星宜居帶上，體積是地球的一半到兩倍大小不等。

盡管迄今為止發(fā)現(xiàn)的小型系外行星數(shù)量相對(duì)較多，但大多數(shù)恒星距離地球的距離都在600到3000光年之間——太遠(yuǎn)太暗以致于無(wú)法進(jìn)行詳細(xì)的后續(xù)觀測(cè)。

為什么液態(tài)水對(duì)宜居性很重要？

不同于開(kāi)普勒，TESS的任務(wù)是尋找太陽(yáng)周?chē)罱男行牵鹤銐蛎髁烈员愫罄m(xù)觀測(cè)。

2018年4月至今，TESS觀測(cè)到1500多顆候選行星。大多數(shù)的大小是地球的兩倍，繞軌運(yùn)行一周少于十天。而地球繞太陽(yáng)運(yùn)行一周需365天。因此，這些行星從太陽(yáng)獲得的熱量明顯比地球多很多，太熱以至于液態(tài)水無(wú)法在其表面存在。

液態(tài)水對(duì)宜居性至關(guān)重要。它為化學(xué)物質(zhì)相互作用提供了媒介。雖然外星生命可能存在于高壓或高溫下，比如在水火噴口附近發(fā)現(xiàn)的極端微生物或在南極西部冰蓋下半英里處發(fā)現(xiàn)的微生物。人類(lèi)已經(jīng)能夠直接探測(cè)到這些極端環(huán)境，所以這些發(fā)現(xiàn)是可能的，但卻不能在太空中發(fā)現(xiàn)這些外星生命。

當(dāng)要尋找太陽(yáng)系以外的生命或宜居環(huán)境時(shí)，人類(lèi)完全依賴(lài)于遠(yuǎn)程觀測(cè)。表面的液態(tài)水會(huì)創(chuàng)造宜居環(huán)境，有可能推動(dòng)生命出現(xiàn)。然后這些生命形式與其上的大氣相互作用，出現(xiàn)地球上的望遠(yuǎn)鏡可以遠(yuǎn)程探測(cè)到的生命特征。這些特征可能是類(lèi)地氣體成分（氧氣、臭氧、甲烷、二氧化碳和水蒸氣），或是27億年前古代地球的氣體成分（主要是甲烷和二氧化碳，沒(méi)有氧氣）。

我們知道一個(gè)已經(jīng)發(fā)生過(guò)這種事情的行星，就是地球。因此，天文學(xué)家的目標(biāo)是找到與地球差不多大小，循著某一軌道繞恒星運(yùn)行，且其表面上有液態(tài)水存在的行星。這些行星將成為我們探索太陽(yáng)系外宜居世界和生命特征的主要目標(biāo)。

TOI 700系統(tǒng)的三顆行星圍繞一顆小而冷的M型矮星運(yùn)行。TOI-700d是TESS在宜居帶上發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)地球大小的星球。

TOI-700d行星的可能氣候

為了確定TOI-700周?chē)膁行星真的存在，吉爾伯特的研究團(tuán)隊(duì)需要通過(guò)其他望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)。TESS在行星穿過(guò)恒星前時(shí)進(jìn)行探測(cè)，此時(shí)恒星的光亮變?nèi)酢Ｈ欢?，這種光亮變?nèi)跻部赡苡蓛x器雜訊或其背后的雙星系統(tǒng)相互遮蔽所產(chǎn)生的假性活躍信號(hào)。哈佛大學(xué)天體物理中心的喬伊·羅德里格斯進(jìn)行了獨(dú)立觀測(cè)。羅德里格斯及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)斯皮策望遠(yuǎn)鏡證實(shí)TESS所觀測(cè)到的TOI-700d行星真實(shí)存在。

我和我的學(xué)生加布里埃爾·恩格爾曼-蘇薩使用我們的建模軟件來(lái)確定TOI-700d行星上可能出現(xiàn)的氣候類(lèi)型。因?yàn)槲覀冞€不清楚該行星的大氣層中可能存在的氣體類(lèi)型，我們利用氣候模型分析其表面支持海洋存在的氣體成分。恩格爾曼-蘇薩在我的長(zhǎng)期合作者艾瑞克·沃爾夫的幫助下，測(cè)試了多種大氣組成情況，包括當(dāng)前地球大氣組成情況（77%的氮，21%的氧，及甲烷和二氧化碳），27億年前地球大氣的組成情況（主要是甲烷和二氧化碳），甚至可能存在于35億年前的火星上的大氣組成情況（大量二氧化碳）。

基于我們的模型，我們發(fā)現(xiàn)如果行星TOI-700d的大氣中含有甲烷、二氧化碳或水蒸氣，那就可能是宜居行星?，F(xiàn)在我們團(tuán)隊(duì)需要通過(guò)詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡來(lái)證實(shí)這些假設(shè)。

生活在像黃石國(guó)家公園地?zé)崤璧剡@樣的惡劣環(huán)境中的細(xì)菌，為尋找其他行星上的宜居區(qū)提供了線索。

新奇世界及其氣候

美國(guó)宇航局團(tuán)隊(duì)完成的氣候模擬表明，類(lèi)似地球的大氣和氣體壓力不足以實(shí)現(xiàn)液態(tài)水在其表面存在。如果我們把同樣數(shù)量的溫室氣體排放到TOI-700d行星上，其表面的溫度仍低于零度。

當(dāng)前我們地球的大氣層下有海洋存在是因?yàn)槲覀兊暮阈潜萒OI-700要大且亮。有一點(diǎn)是肯定的：我們團(tuán)隊(duì)的所有模型都表明，那些渺小黯淡的恒星周?chē)男行?，其氣候都和我們?cè)诘厍蛏纤?jiàn)到的截然不同。

系外行星領(lǐng)域正處于一個(gè)從發(fā)現(xiàn)它們到了解其大氣特征的過(guò)渡時(shí)期。在天文學(xué)史上，新技術(shù)帶來(lái)宇宙新發(fā)現(xiàn)，包括發(fā)現(xiàn)像熱木星和小海王星的驚喜，而這也是我們太陽(yáng)系中所沒(méi)有的。當(dāng)前這一階段需要觀測(cè)這些行星的大氣層，看看他們是否具有支持生命活動(dòng)所需的條件。

參考資料

1.Wikipedia百科全書(shū)

2.天文學(xué)名詞

translate: 一蘭

author: RAVI KUMAR KOPPARAPU

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)于三十日以?xún)?nèi)聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請(qǐng)取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處

選文：天文志愿文章組-宇流者

翻譯：天文志愿文章組-一蘭

審核：天文志愿文章組-

終審：天文志愿文章組-

排版：天文志愿文章組-零度星系