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一个炼狱般的地球(Deming 2013)  

2014-02-02 09:41:40|  分类: 外论选译 |  标签: |举报 |字号 订阅

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Nature, 503: 344-345, 21 November 2013

新闻和观察(NEWS & VIEWS

一个炼狱般的地球(An infernal Earth

德雷克·戴明(Drake Deming

美国马里兰州马里兰大学天文系(Department of Astronomy, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, USA. e-mail: ddeming@astro.umd.edu

2013 10 30 日在线发表

 

大小与地球差不多的外星行星开普勒 78b ,它的轨道离开一颗类似太阳的恒星的视表面不到这颗恒星的半径的两倍,因此是一个炼狱般的世界。但它的存在预示着将有更多的宜居行星被发现和鉴别。

 

 一个炼狱般的地球(Deming 2013) - wangjj586 - 星海微萤

 1    外星行星开普勒 78b 这幅开普勒 78b 的艺术印象画展示了从这颗行星的表面所看到的情形,它的寄主恒星的圆面充斥着很大一片天空。

 

外星行星科学——对于太阳系外的行星的研究——的一个主要目标,是要寻找和鉴别一些围绕着类似太阳的恒星运行的类似地球的行星。这是一项艰巨的任务,因为,相对于宇宙,地球的大小和质量都微不足道,因此一些类似地球的行星将很容易淹没在一颗类似太阳的恒星的眩目的光芒中。向着找到另一颗地球的方向迈出的一大步是在 1995 年,当时发现了第一批围绕着一些类似太阳的恒星运行的太阳系外的行星 [1] 可是,这些外星行星都是以氢气为主的气体巨行星,而且它们的轨道都处在星光炽热的区域中,根本不是想象中的像地球那样。幸好,美国宇航局的开普勒太空探测任务改变了科学家对外星行星的视角。而现在,在有关这个问题的两篇论文中,霍华德(Howard)等人 [2] 和佩佩(Pepe)等人 [3] 分别独立报告了外星行星开普勒 78b 的测量结果, 结论性地表明了这颗行星的质量大约比地球大 80 ,而它的半径只比地球大 20 ——按照天文学的标准,几乎就是地球的孪生姐妹。

开普勒探测器已经发现了数以千计的由岩石和冰构成的外星行星,它们的轨道会导致它们周期性地遮挡住他们的母恒星的一部分光线。它们所遮挡住的恒星光线的数量,给出了对于它们的大小的估计,并且,开普勒探测器已经揭示出了在我们的银河系内,大小与地球差不多的行星数量是很多的 [4] 尽管开普勒探测器能以精湛的精度测量外星行星的大小,然而要确定这些行星的化学成分一直是远为更加困难的事情。要想知道外星行星的主要的化学成分,这需要使用超高精密度的多普勒分光方法来测定它的质量,这种方法测量的是母恒星光的波长的变化,这种变化是由它对行星的轨道运动的反射运动所引起的。可惜的是,由开普勒探测器发现的行星产生的多普勒波长变化大多数太小,不能测量出来。但对于开普勒 78b ,霍华德等人和佩佩等人给出了准确的质量测量结果,这使得他们能够计算出这颗行星的平均密度,它几乎与地球的每立方厘米 5.5 克完全相同。

开普勒 78b 的质量的测量之所以成为可能,是因为离开它的寄主恒星非常地近,这大大地增加了寄主恒星的多普勒反射运动。不过多普勒信号的这种提升是以造成一个炼狱般的环境作为代价的。这颗行星的轨道位于寄主恒星的视表面上方仅仅不到这颗恒星的半径两倍的地方,因而从开普勒 78b 的地面上看,大约一半的天空都被这颗恒星的炽烈圆面占据着,从地平一直伸展到天顶(图 1)。根据目前的认识,生物在这样的环境中生存的机会是零。然而,就寻找太阳系外的宜居星球而言,开普勒 78b 是在一个令人鼓舞的信号。

这颗行星的密度表明,它很可能是由岩石和铁组成的,因此非常像地球。不过,对于它是如何来到目前的公转周期为 8.5 小时的轨道上的,尚很难确定。在那些颇为稀奇古怪的种种可能性中,有一种认为它是一颗瓦解了的气体巨行星所剩下的核心 [5] 。不管开普勒 78b 在其形成以后的历史究竟怎样,它最早很可能是起源于一个由气体和尘埃组成的原行星盘中的吸积过程,也就是与地球的起源相同。但地球的许多其他的方面似乎是独一无二的,这就产生了一个问题,即我们盼望着能够找到承载着外星生命形式的类似星球,这种期待是不是合情合理。开普勒 78b 的存在表明,最起码,太阳系外的化学成分与地球类似的行星并不罕见。

如果像看上去是合乎情理的那样,化学成分类似地球的行星在银河系中并不少见,那么就应该有这样的可能性,找到一颗这样的行星,一方面,用宇宙的语言来说它离我们很近,另一方面,它又呈现出很有利的轨道几何特性,在它沿着这一轨道围绕它的恒星运行时,会遮挡住来自这颗恒星的光线——这是一个使得它的一些特性能够被测定的关键特征。美国宇航局目前正在准备的凌星外星行星巡天卫星(TESS),就是用来在整个天空中搜索具有如此有利特征的外星行星。对于被发现的那些最有利的情况,我们将转而用多普勒分光方法来测定质量,并使用计划在 2018 年发射的韦伯太空望远镜(JWST)来测定这些外星行星的大气层的特性。与开普勒 78b 一样,韦伯太空望远镜凌星外星行星巡天卫星的科学成果将因使用超高精度多普勒分光方法来测量外星行星的质量而被大大地放大。这种方法的灵敏度一直在不断地提高,以至于一些在过去连做梦也想不到的测量结果——即精密度达到每秒 1 米级的反射速度——正在变得越来越常见。

到目前为止,能够被用来运用多普勒分光方法测定外星行星质量的仪器,主要有两台。一台是凯克望远镜上的高分辨率阶梯光栅光谱仪(HIRES[6] ,霍华德等人就是用它做的观测。还有一台是位于智利拉西拉的欧洲南方天文台 3.6 米望远镜上的高准确度视向速度行星搜索仪(HARPS[7] 。后者一直被用于作这一类的苛刻的测量,特别成功,因为它正是为了这个目的设计的。它的一台位于北半球的翻版(HARPS-N)已于 2012 年开始在西班牙拉帕尔马的穆查乔斯岩火山天文台 3.57 米国立伽利略望远镜上运行,并已以佩佩等人对开普勒 78b 质量的测量做了一个精彩的亮相。

如果把高准确度视向速度行星搜索仪的北半球翻版以及凯克望远镜上的高分辨率阶梯光栅光谱仪应用于凌星外星行星巡天卫星发现的外星地球,那么就将能够定出环境比开普勒 78b 温和的外星行星的质量。凌星外星行星巡天卫星可以把注意力集中在温度比太阳低的小质量恒星上,于是就应该能够找到一些质量能够测量的外星地球,但它们的轨道不像开普勒 78b 的轨道那样密近,而是在较远的、靠近生物有可能存活的轨道带的轨道上围绕一些小质量的恒星运行。这样的对于两个方面的权衡折中,也许不能达到能够测量出一颗围绕着太阳的孪生姐妹每年运行一圈的地球的孪生兄弟的程度,但它将使得未来的科学团组有能力去探测出围绕着小质量恒星运行的宜居行星。因此,开普勒 78b 预示着在搜寻太阳系外的生命的努力中的一次飞跃。

 

 

(原文中引用的参考文献目录从略,需要者请检索原文。译文仅供学习交流,严禁出版和商业使用。)

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