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系外行星极端而疯狂的天气,与之相比地球天气实在太好了!

发布时间:2018-11-16 10:11:58  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:165

    系外行星极端而疯狂的天气,与之相比地球天气实在太好了!
      自从我们开始观察夜空以来,云层一直是天文学家最可怕的敌人。这就是为什么我们最好的望远镜在山顶上。
      环绕其他恒星的行星同样会给天文学家带来不便。随着我们从地球上发现越来越多的外行星,我们也知道它们也有云。起初,这些外星云似乎是我们穿透行星大气层的一个恼人的障碍。但事实证明,它们是理解一个世界是否适合生命的因素:天气。
      几个世纪以来,天文学家一直怀疑其他恒星也有自己的行星,但直到90年代初,我们才发现这些行星的证据。第一颗绕着类太阳恒星运行的行星是在两位瑞士天文学家米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·库罗斯(Didier Queloz)监测一颗名为51Pegasi的恒星一年多后发现的。他们注意到它的光变得更红,然后变得更蓝,持续了大约4天。这意味着恒星摇摆不定,暗示着轨道行星的引力牵引。摆动的大小表明这颗行星的质量至少是木星的一半,其轨道距离恒星的距离是水星距离太阳的八倍。这是一个新的世界,一个被称为“热木星”。
      这只是个开始。1999年,两名博士生大卫·查博诺(David Charbonneau)和蒂莫西·布朗(Timothy Brown)用自制望远镜观察了一颗叫做HD 209458b的热木星,经过它的恒星前方并阻挡其光线。这种“过境方法”彻底改变了行星外行星的搜寻。过去20年里,天文学家们利用它探测数千颗外行星。我们现在知道我们的星系包含了一系列的世界,从灼热的气态巨星到超级地球--比地球大但比海王星小的岩石行星。
      不过他们到底是什么样子?在第一颗木星被发现后不久,萨拉·西格(Sara Seager)预测,我们可以通过观察恒星的光线来了解太阳系外行星的大气层。当恒星的光线穿过行星大气层的边缘时,这种光线会微妙地改变,因为每一种气体都会在特定波长吸收。如果我们可以用这个来识别气体,我们可以分辨出这个行星是否具有适合生命的大气层,也许类似于地球的氮和氧的混合。甚至可能会找到一种只能由活物生产的气体混合物的证据。
      天文学家很快看到了分子既熟悉又奇怪,但它们仅限于观察巨大的热行星,这些行星可能无法承载任何类似地球生命的东西。较小的岩石行星更难以描述。
      当哈勃太空望远镜安装了一台新的高精度相机并指向这样一个叫做GJ 1214b的超级地球。天文学家们在2012年和2013年期间获得了高达60圈的哈勃望远镜时间进行调查。它是有史以来最长、最详细的看过超级地球大气层,但返回的光谱是平坦且无特色的。云挡住了光线,这一可能性并没有出现在天文学家们的脑海里。
    系外行星极端而疯狂的天气,与之相比地球天气实在太好了!
      过境方法对靠近恒星的行星最有效,因为它们遮挡了更多的光线。所以我们研究的系外行星几乎都是处于高温状态,通常温度在数百摄氏度。形成云包括气体冷凝成液滴,在这些温度下不会发生水或甲烷(太阳系中构成云的分子种类)的现象。GJ 1214b大气层中的云的平均温度大约为200℃,所以不管它们是由什么构成的,它一定是不太熟悉的东西。
      这些云并不只是令人惊讶。云不应该完全从大气中关闭信号。即使是最厚的云也应该有一些大气层,上面的星光可以通过它的方式掠过我们的望远镜。直到大约100公里的高度,地球的大气层还是相当充实的,但是云很少出现在大约25公里的上方。对于GJ 1214b的平坦光谱来说,最好的解释是它的云几乎位于大气层的顶部。
      这并不是好兆头。较冷的行星更有可能有云,因此天文学家们在凉爽的岩石世界甚至接近恒星的地方获得有用数据的可能性并不理想。幸运的是,自从我们首次观察到GJ 1214b以来,事情已经发展到了意想不到的方向。外星云层已经从敌人变成朋友了。
      首先,我们找到了一种方法来查看它们。我们观察到的许多外行星都是潮汐锁定的,这意味着它们有一个不断面向恒星的日照面。这使得云层在凉爽的空气中更加常见。亚利桑那州立大学的迈克尔·莱恩(Michael Line)和牛津大学的维维恩·帕伦蒂尔(Vivien Parmentier)意识到白天与黑夜相适应的边界可能是一个充满零星云层的中间区域。
      在这种可能性的启发下,科学家于2016年重新审视了HD 209458b,这是查博诺和布朗发现的一个被潮汐锁定的热木星。考虑数百万种可能的大气层类型,以及每种大气如何使行星看到不同的波长。然后我将这些计算与HD 209458b实际看起来的情况进行比较。通过找到最佳匹配,我发现HD 209458b拥有高海拔云层,覆盖面积约57%。像这样的练习开始教我们一些关于太阳系外行星的天气。
      我们可以计算出地球大气层中各种分子的数量,但确切数字并不是这个例子中最大的惊喜。重要的是这个模型表明了氰化氢存在,这种分子是一些生命起源理论的关键。这些提示大多数氨基酸,即蛋白质的构建块,可以氰化氢在强辐射下产生。这并不是说生命可以在HD 209458b的灼热的云层中开始,但它显示了当我们看到外行星云层下面时我们可能会发现的东西。
      然而,我使用的技术只是在白天黑夜边界中存在云间隙时才能使用。完全多云的行星,如GJ 1214b,需要另一个解决办法。
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      克萨斯大学奥斯汀分校的卡罗琳·莫利(Caroline Morley)有一个解决方法。她的想法是观察一颗超地球在它的母星之前和之后的情况。如果你从恒星和行星的光中减去恒星光,剩下的就只有来自行星的热辐射。像星光一样,热辐射可以为行星大气中的分子提供线索。而且,关键的是,我们观察到的是行星的光面,云层并不那么常见。
      另一个想法依赖于事实,正如我们看到月亮的变化,我们看到了系外行星绕其恒星旋转时所照亮的不同部分。测量其各个阶段发出的热量可以创造行星的温度图,从而对外星天气产生重要的洞察力。
      加州理工学院的希瑟·克努森(Heather Knutson)把这个应用到了热木星HD 209458b。这个星球以其充满活力的蓝色大气而闻名,被认为含有大量的硅云。克努森的地图显示夜间和日间温度仅相差200°C,远低于预期。她还发现,这个星球上最热的点距离白天的中心约30度。这些发现表明,强风在大气中输送能量。
      一般来说,强风对行星的可居住性有着巨大的积极影响。想象一下一个潮汐锁定的行星,在它的大气层中有水。在灼热的白天,它会是蒸汽,而在夜晚它会结冰,对生命的关键促进者--液态水--并没有留下任何位置。通过围绕周围的热量传播,风可以创造出它可能存在的温带区域。
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      我们迄今观测到的太阳系外行星的天气比我们自己更极端
      这个想法与凉爽的岩石行星最为相关,但是由于它们散发出较少的热量,所以更难构建这样的行星温度图。然而天文学家们已经观察了一个异常炎热的岩石行星,即超级地球55 Cancri e。剑桥大学的布莱斯·奥利维尔·德默里(Brice-Olivier Demory)和他的同事们绘制的一张温度图,发现最热的点也被抵消了,表明有些东西正在输送能量。而且行星的白天比夜晚的温度高1400°C,与风能存在的情况相比,差异更大。德默里认为,如果行星有一个熔融的表面,岩浆流动围绕着热量,那么这个难题就可以解决了。观察结果表明,日间发出的热量每年都在变化,这与火山间隔喷射反射材料和冷却大气层的情况一致。它描绘了一幅地狱般的世界,汽化的岩石从天而降。
      地球上的天气不仅抽象地涉及风、雨、温度等,而且涉及随时间变化的周期和模式。
      我们现在开始看到太阳系外行星上类似的模式。由英国华威大学大卫·阿姆斯特朗(David Armstrong)领导的团队对热木星HAT-P-7b进行了四年的观测,发现其最亮点大约每隔一百天从西向东移动。阿姆斯特朗认为强风带来的是从夜间到白天的云层,在那里它们会持续很短的时间,然后在超过2500°C的温度下蒸发。所有这一切都是可以检测到的,因为当风改变速度时,在白天存活的云的比例,以及因此反射光的量,会发生变化。通过观察云层,我们看到了一个外星世界的天气模式。
      要弄清外星天气对生命出现的机会是利还是弊,方法之一就是建立一个计算机模型,它将我们所知道的地球上天气的所有知识与我们所知道的关于某一特定外行星的条件结合起来。这正是英国气象局和英国埃克塞特大学的伊恩·布特尔(Ian Boutle)领导的团队最近进行的合作。他们用天气和气候模型来观察我们最近的比邻星 b的大气层,看看它是否能容纳液态水。有人担心,如果被潮汐锁住,这个星球可能会有一个冰冻的夜晚和一个荒凉干燥的白天。但模拟表明,它的风改善了这些极端情况,使得地表温度适应液态水。如果正确的话,这个发现对于我们银河系中的生命有着深远的意义。
      不久之后,我们应该能够使用现在正在智利阿塔卡马沙漠建造的极大望远镜直接拍摄的行星图像进行确认。它将在2025年左右准备好行动。让我们希望它上面的天空能够一直保持晴朗。