巨型望遠鏡上線後,或可探測系外行星的“珠穆朗瑪峰”

天文學家們提出了一種方法,可以在遙遠行星上發現山脈、海洋和火山等,而這些行星都太小,無法直接觀測到。

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珠穆朗瑪峰。

喜馬拉雅山對地球表面的扭曲程度,就像一根頭髮對一個檯球的扭曲程度一樣微乎其微。要辨別這種對圍繞另一顆恆星執行的行星的微小影響,似乎是可笑的——就像在月球上的檯球上感知到頭髮一樣。然而,兩位天文學家提出了一種方法來探測系外行星上的山脈和其他表面特徵。儘管這聽起來可能令人難以置信,但研究人員的目標甚至更高遠。

“或許可以說這個專案本身並不那麼令人興奮,”哥倫比亞大學研究生莫伊亞·麥克蒂爾說,她與哥倫比亞大學天文學助理教授大衛·基平共同撰寫了描述該提議的論文。“因為一旦你發現了山脈,又怎麼樣呢?[但是]這引出了我們在過去幾十年裡一直想回答的問題:這些行星能孕育生命嗎?”

我們星球上的生命顯然取決於我們星球的生命,包括迴圈碳和調節溫度的板塊構造,以及由地球自轉和熔融地核結合產生的磁場,該磁場保護地球免受否則會威脅生命的太陽風的影響。因此,除了風景之外,山脈和火山等表面特徵可以被視為我們星球孕育生命的內在生命的外部標誌。


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但是在系外行星上看到它們是一個大膽的想法。儘管天文學家迄今已經識別出約 3700 顆這樣的行星,但對它們知之甚少——通常僅知道它們的大小和質量。大多數是透過所謂的凌星法檢測到的,即當天文學家測量一顆圍繞恆星執行的行星從它前面經過時,來自遙遠恆星的光線略微變暗。麥克蒂爾和基平的策略建立在該方法的基礎上,並且可能需要直徑大於 70 米的巨型望遠鏡。已經提出了其中一些望遠鏡,但可能還需要幾十年才能投入使用。

即使是這些龐然大物也無法直接看到系外行星上的山脈。天文學家的見解是,一顆旋轉的山地行星在經過其恆星時會產生變化的輪廓,使得產生的凌星光曲線不僅會顯示出證明行星存在的明顯下降,而且會顯示出凹槽內的凸起,這些凸起反映了該物體不斷變化的橫截面積。透過對地球、火星和月球等測繪良好的天體進行凌星建模,麥克蒂爾和基平得出了凌星曲線的凹凸不平和天體的凹凸不平之間的近似關係,根據他們的測量,地球約為 500 米,火星約為 3000 米(火星有更高的山脈,地球的海洋具有平滑效果)。儘管該方法不能保證解析單個特徵,但它可以讓人瞭解行星的整體崎嶇程度。

即使這樣也說起來容易做起來難。為了用可預見的望遠鏡實現足夠的信噪比,天文學家將他們的注意力縮小到特別崎嶇的行星圍繞儘可能小的恆星——白矮星(較大的恆星死亡後留下的地球大小的殘骸)執行的最佳情況。儘管尚未發現有系外行星圍繞此類恆星執行,但基平對此持樂觀態度,因為在它們的大氣層中,很大一部分都出現了附近類行星物質的證據;理論還表明,它們可以孕育宜居行星。根據我們星系中白矮星的數量,以及保守假設的擁有行星的數量,天文學家認為其中一些應該在離我們大約 225 光年的範圍內,並且發現透過一臺 74 米的望遠鏡觀測大約 20 個小時(分散在五個半月內)的凌星現象,可以有把握地測量到火星水平的崎嶇程度。這是一個艱鉅的任務,因為目前世界上最大的光學望遠鏡的直徑約為 10 米,儘管目前在智利建造的所謂歐洲極大望遠鏡的直徑將達到 39 米。

還有其他複雜因素。基平最擔心的是覆蓋山脈的雲層。麥吉爾大學研究系外行星大氣的天文學家尼古拉斯·科恩同意雲層是“一個巨大的障礙”,但也擔心即使沒有云層,大氣吸收、散射和光的折射也會破壞觀測效果。“我懷疑,”他說,“為了使該方法對行星有效,它可能需要是無空氣的。”不過,哥倫比亞大學的研究人員認為,他們可以透過觀測不同波長的光來減輕這些影響。

即使天文學家確實設法測量了一顆行星的崎嶇程度,他們也需要額外的資料來解釋它對宜居性的影響。行星表面陸地和水混合似乎是生命的最佳選擇,這表明適度的崎嶇程度,介於水覆蓋世界的平滑度和火星的崎嶇程度之間是理想的。但是,僅憑崎嶇程度並不能區分部分水覆蓋的世界和丘陵起伏的世界,儘管與表明海洋的鏡面反射相結合,它可以。崎嶇程度也不能區分山脈和火山,儘管與行星大氣層中二氧化碳和硫的光譜測量相結合,它可能會。而且,山脈並不一定能證實地球碳迴圈所需的構造活動型別,但當與行星地殼中相關金屬濃度的估計值相結合時,它們可能會強烈暗示這一點。“沒有單一的資訊可以解決這個問題,”基平指出。

儘管科恩表示探測系外山脈的想法“有點不切實際”,但基平堅持認為這是值得的,至少是為了激勵更大望遠鏡的設計。“這些型別的任務需要幾十年的規劃,”他說。“如果沒有人思考這些問題,那麼我們就只能四處碰壁。”

Bob Henderson is an independent writer based in upstate New York. He has a doctorate in high-energy theoretical physics from the University of Rochester and has made his living at various times as a photojournalist, an electrical engineer, and a financial derivatives quant and trader.

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