系外行星大气含有水蒸气,第一颗“地球2.0”?

系外行星大气含有水蒸气,第一颗“地球2.0”?
2019年09月18日 07:14 新浪网 作者 趣侃足球

天文学家首次在位于宜居带的系外行星大气中观测到水蒸气,且行星的岩质表面可能存在液态水。这是一项令人惊喜的发现,但根据目前的数据,断定那里支持生命的出现还为时过早。

地球是生命的摇篮,也是人类的家园,因此在人类将探索的目光投向宇宙深处的时候,寻找另一颗宜居行星就成为一项极具吸引力的任务。经过数十年的寻找,天文学家已经在太阳系外的其他恒星系统里发现超过4000颗系外行星。虽然到目前为止,天文学家尚未在其中发现真正的“宜居”行星,不过最近公布的一项研究表明,他们首次在位于宜居带的系外行星大气中观测到水蒸气,这给从事系外行星研究的天文学家带来不小的惊喜。

系外行星研究取得突破

2019年9月11日,英国伦敦大学学院(UCL)空间地外化学数据中心(Center for Space Exochemistry Data,CSED)的天文学家在《自然·天文学》上发表论文,公布了上述发现。

宜居带是指在一个恒星系统中与中心恒星距离合适的区域,那里温度适宜,允许液态水在行星表面存在。生命被认为最有可能出现在位于宜居带的行星上,地球就处于太阳系的宜居带内。虽然科学家通过研究表明,位于宜居带也许并非生命出现的必要条件,但还是把位于宜居带内的系外行星作为研究的重点。

这次研究的目标系外行星K2-18b围绕一颗代号为K2-18的红矮星旋转,公转周期为33天,位于这个系统的宜居带内。这个恒星系统位于距离地球大约111光年的狮子座。

系外行星大气含有水蒸气,第一颗“地球2.0”?

系外行星K2-18b(图右)、中心恒星K2-18(图左)和这个恒星系统内另一颗行星(图中)的艺术想象图。 (欧洲空间局/哈勃太空望远镜/图)

经过测量,这颗系外行星的质量约为地球的8倍,半径约为地球的2倍。根据这些数据,天文学家就可以估算出它的密度。他们认为K2-18b并不是一颗气体行星,而是很有可能像地球一样具有岩质表面。

这个研究小组分析了哈勃太空望远镜在2016年至2017年间对这颗系外行星进行观测获得的数据。他们的方法是研究K2-18b的大气对中心恒星发出的光线的吸收和反射情况。这种光谱分析法也是研究天体组成成分的常用方法。分析结果显示,K2-18b的大气中不仅有水蒸气存在的迹象,同时还含有氢和氦。研究小组同时认为,在这颗系外行星的大气中还可能存在氮气和甲烷等气体,但是目前的探测手段尚无法进行确认。

如果这次公布的发现在未来被进一步确认,那这颗行星将是到目前为止已知的唯一一颗既在大气中含有水蒸气又在岩质表面可以存在液态水的系外行星。论文的共同作者英戈·瓦尔德曼博士(Ingo Waldmann)在UCL官网上表示,这次发现的一个重要意义在于不仅像K2-18b一样的行星在我们的银河系中非常常见,而且它的中心恒星是比太阳更常见的红矮星(太阳是更大更亮的主序星),这说明这次发现可能并非特例,而是未来一系列发现的开端。

发现地球2.0仍需时日

K2-18b是数百颗天文学家口中的“超级地球”之一。“超级地球”指的是质量介于地球和海王星之间的系外行星。不过,虽然被称作“超级地球”,但是这些系外行星与地球其实条件迥异,比如K2-18b很有可能并不适合生命存在。

K2-18b是截止到目前唯一一颗满足具有适宜温度、具有大气层和存在水这三项“宜居条件”的系外行星,但是根据目前已经掌握的数据就断定那里支持生命的出现还为时太早。考虑到中心红矮星的高活跃度,这颗行星将会暴露在高能辐射中,表面环境异常严酷。生命的出现和繁衍是一个极其复杂的过程,目前即便是确认K2-18b的大气中含有水蒸气,这也只是众多基本条件之一而已。

论文的第一作者安吉罗斯·齐亚拉斯博士(Angelos Tsiaras)也在UCL的官网上表示,在一个可能宜居的世界发现水是相当令人激动的。但是他也同时提醒,K2-18b并不是“地球2.0”。

20世纪90年代,天文学家首次发现太阳系外的行星,拉开系外行星研究的序幕。2009年,开普勒太空望远镜发射升空,系外行星研究迎来一个黄金期。截止到2018年退役,开普勒太空望远镜在整个工作期内发现了数千颗系外行星,其中包含数百颗“超级地球”,K2-18b就是由开普勒太空望远镜在2015年发现的。

开普勒太空望远镜和哈勃太空望远镜等观测设备帮助我们加深了对系外行星的认识,接下来更加强大的观测设备有望开创一个系外行星研究的新纪元。开普勒太空望远镜正式退役前,它的接班人“苔丝”(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS)已经于2018年4月18日发射升空。

与开普勒太空望远镜相比,“苔丝”计划观测的系外行星距离地球更近,也更加明亮,这样它们就在地基望远镜的观测范围之内。天文学家通过测量这些系外行星的大小和质量,就能推算出它们的密度,从而了解它们是像地球一样的岩质行星还是像木星那样的气体行星。“苔丝”团队的科学家希望能够发现超过20000颗系外行星,其中将有300颗的尺寸与地球相当,或者不超过地球体积的2倍。

被寄予厚望但发射时间屡次推迟的詹姆斯·韦伯太空望远镜,一旦投入工作,将会更加精确地分析系外行星的大气成分,以确定这些系外行星是否存在生命以及是否适宜生命生存等。

除此之外,由欧洲空间局发起的ARIEL空间任务(ARIELSpaceMission)计划在2028年发射升空。这项研究的全称是“大气遥感系外行星大型调查”(Atmospheric Remote-sensing Exoplanet Large-survey),属于欧洲空间局“宇宙视野”(Cosmic Vision)计划中的第4个中型项目。在预计为期4年的任务期内,这项任务的目标是在可见光和红外波段对1000颗尺寸从地球到木星之间的系外行星进行观测。对光谱和光度数据的分析将会帮助科学家了解这些系外行星的大气成分,同时使他们可以进行大气的热力学和散射特性的研究,从而回答这些行星系统是如何形成及演化等关键的问题。

系外行星大气含有水蒸气,第一颗“地球2.0”?

ARIEL工作的艺术想象图。 (ARIEL官网截图/图)

论文的共同作者、伦敦大学学院教授以及ARIEL项目首席研究员乔凡娜·迪内蒂(Giovanna Tinetti)同样在UCL官网上表示:“我们的发现使得K2-18b成为未来研究中最令人感兴趣的目标之一。虽然我们已经探测到超过4000颗系外行星,但是我们对他们的组成了解得很少。通过对大样本的行星的观测,我们希望揭示它们形成和演化的秘密。”

虽然在K2-18b的大气中发现水蒸气距离我们发现“地球2.0”还很遥远,但齐亚拉斯博士的一番话也许代表了这些研究的意义:“这项研究有助于我们对太阳系外的宜居世界的理解,开启了系外行星研究的一个新阶段,这对于我们把我们唯一的家园——地球——置于更广阔的宇宙图景中至关重要。”

在未来的数十年里,天文学家将继续对系外行星进行更加深入的研究,从而试着去回答那个千百年来人类始终萦绕于心的问题:我们在宇宙中是孤独的吗?

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