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    使用大气信标搜寻外星生命的迹象?

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      爱因斯坦

      尽管近年来天文学家发现了数千颗系外行星,但确定它们是否适宜居住是一个重大挑战。由于不能直接研究这些行星,科学家被迫寻找间接的迹象。由我们与在行星大气中出现的有机生命联系在一起的化学副产品组成,这些被称为生物特征。

      使用大气信标搜寻外星生命的迹象?

      插图显示了一颗被恒星光照亮行星的大气层,图片版权:NASA戈达德太空飞行中心

      美国航空航天局(NASA)一组科学家的一项新研究提出了一种寻找太阳系以外生命迹象的新方法。要利用来自年轻矮星频繁的恒星风暴。这些风暴将巨大的恒星物质和辐射云抛向太空,与太阳系外行星的大气层相互作用,并产生可以被探测到的生物特征。

      这项名为“来自于G和K星外行星的大气灯塔”的研究最近发表在《自然科学》杂志上。由美国宇航局戈达德太空飞行中心(NASA戈达德太空飞行中心)的高级天体物理学家Vladimir s . Airapetian领导的团队,包括来自NASA兰利研究中心的成员、科学系统和应用公司(SSAI)和美国大学。

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      这样的信息可以帮助研究人员识别潜在的宜居世界,图片版权:NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk

      传统上,研究人员已经在外星大气中寻找氧气和甲烷的迹象,因为这些都是有机过程的著名副产品。随着时间的推移,这些气体积累,达到可以通过光谱学检测到的数量。然而这种方法非常耗时,并且需要天文学家们花费数天时间来观测来自遥远星球的光谱。

      但在潜在的宜居星球上搜索生物特征是有可能的。这种方法将依赖现有的技术和资源,并将花费相当少的时间。正如Airapetian在NASA新闻发布中解释的那样:

      “我们正在寻找从基本的先决条件到生命的分子——特别是分子氮,它占大气的78%。”这些都是基本的分子,具有生物学上的友好性,并且具有强大的红外发射能力,增加了我们探测它们的机会。

      以地球上的生命为模板,Airapetian和他的团队设计了一种新的方法,来观察太阳系外行星的水蒸气、氮气和氧气的副产品。然而真正的诀窍是利用活跃的矮星所发生的极端空间天气事件。这些事件暴露了行星大气层的辐射,引起了天文学家们可以选择的化学反应。

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      一颗遥远系外行星上的红巨星概念图,图片版权:University of Warwick/Mark

      当谈到像我们的太阳这样的恒星时,像g型的黄色矮星,这样的天气事件在他们还年轻的时候是很常见的。然而其他黄色和橙色的恒星在数十亿年的时间里仍然活跃,产生了充满活力的带电粒子的风暴。而m型(红矮星)是宇宙中最常见的类型,在其漫长的生命周期中保持活跃,周期性地将它们的行星置于小型耀斑。

      与大气和反应引起的化学分离氮(N²)和氧(O²)气体成单个原子,水蒸气为氢气,氧气。分解的氮原子和氧原子会产生一连串化学反应,产生羟基(OH)、更多的分子氧(O)和一氧化氮(NO)——科学家称之为“大气信标”。

      当星光照射到行星的大气层时,这些指向标分子会吸收能量并发射红外辐射。通过研究这种辐射的特定波长,科学家能够确定哪些化学元素存在。这些元素的信号强度也是大气压力的一个指标。综上所述,这些读数使科学家能够确定大气的密度和组成。

      几十年来天文学家们还使用一个模型来计算臭氧(O³)是如何形成的地球大气层氧气是暴露于太阳辐射。使用同样的模型——并将其与来自于活跃的恒星的太空天气事件配对——Airapetian和他的同事们试图计算出在类似地球的大气中,究竟有多少一氧化氮和羟基会形成,以及臭氧将会被破坏多少。

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      NASA的计时宇宙飞船,它已经观察地球的高层大气15年了。图片版权:NASA/JHU-APL

      为了实现这一目标,他们查阅了美国国家航空航天局(NASA)的电离层电离层电离层动力学(合时间)的数据,该任务一直在研究地球大气中的信标的形成。具体来说,他们使用的是大气使用宽带辐射测量仪(SABER)的数据,这使得他们能够模拟出这些信标的红外观测结果如何出现在太阳系外行星的大气层中。

      正如美国国家航空航天局兰利研究中心(Langley Research Center)的SABER副首席研究员马丁·麦克林萨克(Martin Mlynczak)和论文的合著者所指出的:“考虑到地球大气层发射的红外辐射,我们的想法是观察系外行星,看看我们能探测到什么样的信号。”如果我们发现太阳系外行星的信号与地球的比例几乎相同,我们可以说地球是一个很好的承载生命的候选者。

      他们发现,强烈恒星风暴的频率与来自大气信号的热量信号的强度直接相关。更多的风暴发生时,会产生更多的信标分子,产生足够强的信号,用太空望远镜观测到地球,只需要两个小时的观测时间。

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      从月球(卫星)上看到的一颗系外行星。图片:IAU

      目前还发现这种方法可以清除那些没有类似地球磁场的系外行星,它们自然地与来自太阳的带电粒子相互作用。这样一个能量场的存在,确保了一个行星的大气没有被剥离,因此对可居住性是至关重要的。

      Airapetian解释说:一颗行星需要一个磁场,它保护大气,保护地球免受恒星风暴和辐射的影响。如果恒星风没有如此极端地压缩一颗系外行星的磁场靠近它的表面,磁场就会阻止大气逸出,所以大气中会有更多的粒子,产生更强的红外信号。

      这个新模式之所以重要,有几个原因:一方面它展示了如何对地球大气进行详细的研究,以及它如何与太空天气相互作用的研究,现在正被用于研究系外行星。它可以在某些恒星类别上对外行星适居性进行新的研究——从许多种类的黄色和橙色恒星到冷却的红矮星。

      红矮星是宇宙中最常见的恒星类型,在螺旋星系中占70%,椭圆星系中占90%。更重要的是,根据最近的发现,天文学家估计红矮星很可能有岩石行星系统。研究小组还预测下一代空间仪器,如詹姆斯·韦伯太空望远镜将增加使用这个模型寻找可居住行星的可能性。

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      这颗行星围绕着星半人马座阿尔法星(Alpha Centauri B)运行,它是距离地球最近的三星级系统的一员。图片版权:ESO

      正如戈达德高级天体物理学家、研究报告的合著者威廉·丹基(William Danchi)所说:关于太阳系外行星的生命潜力的新见解,关键在于跨学科研究,其中数据、模型和技术被应用于NASA戈达德的四个科学部门:太阳物理学、天体物理学、行星和地球科学。这种混合物为太阳系外行星的研究提供了独特而强大的新途径。

      直到我们能够直接研究系外行星的时候,任何使生物标记更容易识别、更容易检测的发展都是非常有价值的。在未来的几年里,Blue Project Blue和Breakthrough Starshot希望能对半人马座阿尔法星系进行第一次直接的研究。但与此同时,通过改进的模型,我们可以为那些潜在的可居住的系外行星进行调查,这些恒星是金色的!

      也不仅能大大提高我们对这些行星的认识程度,而且还能让我们指向一个或更多地球的方向。

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