通过跨学科的方法寻找Looking for地外生命

2018-02-08 19:13田也
飞碟探索 2018年1期
关键词:外行星大气层宜居

田也

当前,寻找地外生命正在经历一场创新的浪潮。对系外行星的发掘经历了过去20年的黄金时代,现在是时候开始确定下一步计划了:确定哪些已知系外行星可能具备生命存在的条件。

2017年12月13日,在路易斯安那州新奥尔良举办的美国地球物理学联盟秋季会议上,来自美国航空航天局和两所大学的科学家向大家展示了跨越天体物理学、地球科学、太阳物理学和行星科学的最新研究成果,证明了在寻找地外生命的过程中跨学科研究方法的重要性。

美国航空航天局戈达德太空飞行中心的天体生物学家吉亚达·阿尼说:“宇宙中潜在的宜居天体越来越多。目前,我们知道的系外行星数以千计,但因为无法直接观测到它们,所以对它们的了解还非常有限。”

目前,科学家主要通过间接方法识别和研究系外行星,这些方法可以告诉他们观测对象是否为类地行星,或者与其母恒星的距离。但如果科学家要确定该行星是否宜居,或者是否适合生命生存,仅靠那些信息是远远不够的。为此,科学家必须直接观测系外行星本身才行。

“直接成像仪器和任务的设计正在进行中,”阿尼解释说,“同时,我们已经通过手头现有的工具进行研究并取得了相当进展。”他们正在建立电脑模型来模拟宜居行星可能的样子,以及它们与母恒星之间的相互作用。为了验证他们的模型,科学家将目光投向太阳系的行星,以此作为类比,与将来可能会发现的系外行星进行比较。当然,也包括地球本身,毕竟这是我们最为了解的星球,也是目前所知唯一的宜居星球。

阿尼说:“在我们探寻其他世界的生命时,整体意识对科学家来说非常重要。也就是说,要从多学科的角度来进行思考。我们需要多学科的研究,将系外行星看作是由多次天体物理、行星和恒星活动过程所形成的复杂世界,而不仅仅是天空中一个遥远的点。”

将地球视为系外行星进行研究

人类首次收集到的系外行星的直接影像看起来只是一些模糊的像素而已,即使距离我们最近的影像也不例外。从像素不高的几张照片中,人们如何能了解一颗行星上的生命信息?

加州大学河滨分校系外行星专家斯蒂芬·凯恩利用美国航空航天局设在国家海洋和大气管理局的深空气候观测台(DSCOVR)上的地球多色成像相机,提出了一种解决问题的方法。凯恩解释说,他和同事采用了DSCOVR的高分辨率图像(通常用于记录地球的全球气候模式和其他与气候有关的事件),并将其降解为几个像素的图像,再通过噪声滤波器,试图模拟系外行星任务中可能出现的干扰。

凯恩说:“我们从少数几个像素中提取尽可能多的地球信息。如果我们能够对地球准确地做到这一点,那么我们也可以对其他恒星周围的行星做到这一点。

DSCOVR每隔半小时拍摄一张照片,已经连续拍摄两年了。它拍摄的3万多张照片是现存连续拍摄时间最长的系列地球全景照片。通过观测地球表面陆地与海洋交替时的光线变化,凯恩可以逆向推算出地球的反照率、黄赤交角、旋转速度,甚至季节变化。这些数据无法通过直接测量系外行星而获得,但对一颗星球的生命具有至关重要的作用。

寻找“金星”们

与科学家将地球作为宜居星球进行研究的方法相同,他们还将研究对象扩大到太阳系的其他行星,尤其是那些他们比较熟悉的行星,以此作为反面案例,研究该行星为何不适合居住。

凯恩也研究了地球的姊妹星——金星。金星地表温度高达480℃,大气层中有硫酸形成的不透明的云,气压为90个大气压。作为距离如此之近的两个邻居,地球和金星却有着如此截然不同的生命环境。凯恩对此非常感兴趣,想在其他星系寻找类“地球—金星”版本,以此作为识别潜在的宜居行星的方法。

凯恩解释说,他通过界定“金星区”,试图从美国航空航天局的开普勒数据库中找出那些与金星相似的星球。这一区域里的行星日射能量(即某一特定行星从其母恒星那里获得的光照数量)对大气腐蚀及温室气体循环起到关键作用。

“地球和金星的命运与其大气层息息相关。” 凯恩说,“我们试图通过寻找相似的行星来了解它们的演变过程,希望能弄明白一颗发展中的行星有多大可能一步步走向金星式的地狱景象。”

模拟恒星与行星之间的相互作用

与此同时,戈达德太空飞行中心科学家凯瑟琳·加西亚·塞奇则专注于研究行星与母恒星之间的相互作用。科学家必须同时考虑母恒星的质量和行星的电磁环境(可以为行星遮挡来自恒星的有害辐射)是如何阻碍或帮助建立宜居环境的。比如,地球磁场可以保护大气层不受恶劣太阳风的影响。太阳在持续不断地向外发射带电物质,这种物质可以在一个被称为电离层逃逸的过程中将气体从大气层中剥离。

加西亚·塞奇描述了科学家对比邻星b的相关研究。比邻星b距离地球4光年,是位于恒星比邻星(Proxima Centauri,是一颗红矮星)宜居帶上的一颗系外行星。但是,位于宜居带,即与母恒星距离适宜、水可以以液态形式存在于星球表面,并不意味着必然适宜居住。

科学家现在还无法得知比邻星b是否被磁化,但他们可以通过电脑模拟类地系外行星在比邻星近轨道上如何保护其大气层不受频繁而强烈的恒星风暴的影响。这种风暴对特定行星空间环境的影响被统称为空间天气。

“我们需要了解一颗行星的空间天气环境,来判断该星球是否宜居,”加西亚·塞奇说,“如果恒星太活跃, 就会侵蚀行星可保持液态水的大气层。但紫外线带来的也并非全是坏处:有迹象表明,恒星紫外线能够启动产生生命的过程。”

红矮星是银河系中最常见的恒星之一。像比邻星这样的红矮星会发出高能量的紫外辐射,电离其行星大气层中的气体。在这个过程中,新形成的电子会得到足够的能量,使其很容易沿着磁场线脱离行星的引力跑到外太空去。

根据美国航空航天局钱德拉X射线天文台的观测数据,科学家计算出了比邻星的平均辐射量。在比邻星b的轨道上,科学家发现这颗类地行星受到的高能紫外线辐射强度是地球的几百倍。

加西亚·塞奇与同事设计了一个计算机模型来研究比邻星b轨道上的类地行星——拥有跟地球一样的大气层、磁场和重力——能否保持住其大气层。他们研究了导致电离层逃逸的三个因素:恒星辐射、中性大气的温度以及逃逸发生地区极地的大小。

研究表明,在极端情况下,比邻星b 在1亿年中丢失的大气相当于整个地球的大气那么多,而1亿年与比邻星b40亿年的寿命相比,只是很小的一部分。即使在最好的情况下,这颗系外行星的生命中也有20亿年是在大气流失中度过的。

火星,研究系外行星的实验室

当加西亚·塞奇研究被磁化的行星时,科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家戴维·布莱恩将目光投向火星——一颗没有磁场的行星。

“想要研究系外行星,火星是个很好的实验室,”布莱恩说,“我们可以借助火星来思考一颗尚未被观测到的系外岩石行星可能具备的特性。”

布莱恩使用美国航空航天局“火星大气和挥发性进化”(MAVEN)任务观测到的数据,提出了这样一个问题:如果火星围绕另一类恒星运转的话,它可能会进化成什么样子?问题的答案为我们提供了有关岩石行星(不同于地球)如何在不同情形下进行不同演化的信息。

据称,火星上曾经有水和大气层,可能会为类地生命提供宜居环境,但是随着时间的推移,火星在各种化学和物理进程中丢失了大部分大气层。自2013年MAVEN任务开始以来,也在火星上观测到了类似的大气层损失。

布莱恩是MAVEN任务的联合研究人员,他和同事将MAVEN的成果应用到假想的类火星模型上。这颗假想的行星围绕M级恒星——俗称红矮星——做轨道运动。在这一假想中,这颗行星受到的紫外线辐射量是现在火星的5倍至10倍,这反过来又加速了大气逃逸的速度。计算表明,在这种情况下,行星损失的带电粒子将是平时的3倍至5倍,中性粒子的损失量则是平时的5倍至10倍。

这样的大气损失率表明,行星在一颗安静的M 级恒星的宜居带边缘运行时,其宜居时间将会缩短到原来的1/20至1/5。

“但是我们不会放弃寻找围绕M级红矮星的岩石行星,”布莱恩说,“我们选择的是最坏的情况。火星是颗小行星,没有磁场,所以太陽风很容易就吹走其大气层。而且我们选择的这颗行星不是处于地质活跃期,因此也就不可能从内部产生大气层。如果改变上述任何一个因素,这样一颗星球的环境应该还不错。”

在寻找可能拥有生命的星球的过程中,对我们需要寻找和识别该星球的哪些特征来说,每一项研究都为这个难题添砖加瓦。随着更加清晰的观测系外行星计划的执行,这些跨学科研究将为我们识别那些宜居星球打好坚实的基础。

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