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对于宜居系外行星,我们的认识有多少?

2020-03-23 16:11:28 来源:新浪科技

  行星系统TOI 700位于100光年之外的剑鱼座(Dorado),是TOI 700 d的所在地。TOI 700 d是美国宇航局(NASA)凌日系外行星勘测卫星(Transiting Exoplanet Survey Satellite)发现的首个地球大小的宜居行星。  在搜寻系外行星时,科学家惊喜地发现一颗类似于地球的行星。TOI 700 d是类地球行星中最新的一名成员。这颗行星由美国宇航局(NASA)的凌日系外行星勘测卫星(TESS)发现,它是一个遥远太阳系中的三个天体之一。这颗行星并不像周围的天体以及科学家发现的大多数行星,它的大小和地球近似,另外,它围绕恒星公转的距离允许其表面存在液态水。

  作为一颗与地球大小相当的行星,TOI 700 d还位于其公转恒星的宜居带,这对科学家来说十分重要。“我们一直想了解一个问题,生命能否在围绕非常小的恒星运行的行星上形成?TOI 700 d的发现,让我们向这个目标迈了一大步,”在哈佛-史密松森天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)工作的一位天文学家 Joseph Rodriguez说,“我们还远没有解答这个问题。可能还需要几十年,甚至更久的时间来回答这个问题。但是,我们正朝着解决科学界一个最重要问题的方向前进。”

  但是,尽管十分兴奋,科学家对TOI 700 d并不完全了解。他们知道TOI 700 d的恒星是一颗红矮星,相比去比起其它一些恒星来说,它更加温和。活跃的恒星会向围绕的行星投电磁风暴和高能带电粒子,使这些行星上无法形成生命。

  “这颗恒星极其安静,”芝加哥大学天文学研究生Emily Gilbert说,“我们利用TESS 对它进行了长达11个月的 观察,没有看见一点点耀斑。我们猜想,由于这颗恒星有点老了,所以在它生命的进程中更加平静了。”

  目前为止,科学家在这颗安静恒星的周围,已经发现了三颗行星,分别是TOI 700 b、TOI 700c 和TOI 700 d。其中,TOI 700c 和TOI 700 d的公转轨道太靠近恒星,不适宜生命生存。但第三颗行星的公转轨道处于恒星的宜居带中,其中的温度能使行星表面的水维持液态。Gilbert说:“ TOI 700 d 其实比地球更加深入宜居带。地球本身只是勉强宜居。”

  但科学家还确定了一个不理想的现象:这颗行星被恒星的潮汐锁定,它的一个面总是面对恒星,是白天,而另一面总是夜晚。

  但除这些之外,科学家对这个行星的其他特点并不了解。研究TOI 700 d 的科学家特别想知道一项关键数据:它的质量。这一数据将解释,这颗行星在多大程度上像地球一样是一颗岩石行星,而不是像海王星一样,是一颗充满气体的行星。

  由于TOI 700 d的质量数据很难测量,科学家先宣布了他们的发现。“有仪器可以进行测量,” Rodriguez说道,“但是这样的仪器很少,这个过程可能会持续几年,需要多个研究团队数百次的观测。”科学家目前还不知道,这颗行星上是否有大气层,这也是判断可能存在生命的重要线索。Gilbert表示,“如果这个行星只是一团岩石,没有生命能生活在那里。”不幸的是,解答这个问题要比测量行星的质量更困难。

  所以直到目前,科学家一直假定TOI 700 d由岩石构成,并且尝试利用模型,建立他们对这颗行星的了解与生命形成之间的联系。戈达德太空飞行中心大学空间研究协会的访问研究助理Gabrielle Engelmann-Suissa说,“建构模型帮助我们了解这颗行星的生命力,以及在多种条件下,它能多大程度地保持宜居的地表温度。”

  总之,Engelmann-Suissa和同事共运行了20个不同的模型。每个模型都采取不同的地表特征组合,例如行星是被陆地覆盖的,还是被水覆盖的;大气是像今天的地球,还是像远古的地球或火星?

  Engelmann-Suissa和同事并不知道,其中是否有模型更符合TOI 700 d的实际情况。她说:“当你模拟各种类型的行星,听起来会有些混乱。”但是,模拟的意义并不是从中偶然发现与事实相匹配的情形。相反的,这样做的意义在于能了解各种可能性,并了解是否能用科学仪器区分它们。

  在一方面,TOI 700 d的模型都有一定的希望演化出生命。“没有一个模型发生失控温室效应(runaway greenhouse effect),”Engelmann-Suissa表示,“在我们研究的模型里,没有一个中的海洋蒸发,这是个好兆头。”她补充说,这些模型的全球平均气温相当巨大,但并没有超出科学家设想的特别是那些顽强的生命能抵抗的极限。

  在平均气温最高的模型中,显示的平均表面温度约为91℃。“对于我们人类来说,这一气温太高了,”Engelmann-Suissa 说,“但是因此就说那里没有生命并不严谨。”

  模拟的第二个目的是为了更好地了解如何利用仪器来了解世界,并提供一份关于TOI 700 d的严格评估。目前科学家掌握的仪器,还不能通过潜在的特点来区分所有这些行星。NASA下一代主要的望远镜,詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope),也无法进行区分,而未来大多数望远镜的概念设计将依赖于类似的设备。

  Engelmann-Suissa 表示,“这是天文学领域里的一大难题,能观察这些行星的希望有些渺茫。我们确实需要对探测器进行实验,以弄清楚怎样才能获得信号精度。”

  然而科学家确切知道,从这个夏天开始,TESS将再一次对准TOI 700 d行星,这可能会揭开全新的、让科学家试图去解答谜题。“也许,我们将发现我们并不了解那个系统的结构,或许还存在一些另外的行星,”Rodriguez 说,“另外,虽然是一种罕见情况,但我们还会发现那一系统开始变得类似于我们的太阳系。”

  “但是我们还并不知道,我认为这是真正有趣的地方,” Rodriguez 说,“我们将获取更多的数据。目前,我们才是刚刚开始了解那个天体系统到底是怎样的。”

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