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太阳系外还有别的“地球”吗?天文学家找到百年前答案的新线索

2017-04-23阅读 112 赛先生 我要关注


在所有科学家希望回答的问题中,很少有能像“在我们的地球之外,是否有其他有生命的世界?如果是,有像人类一样拥有智慧的外星生物么?”一样激动人心的。然而,我们如何能找到围绕太阳以外恒星运行的、类似地球的岩石世界呢?引人注目地,关于存在这种世界的天文学证据可以追溯到一百年前。该证据涉及对一种叫“白矮”星的恒星的观测,白矮星是我们的太阳在50亿年后将会成为的恒星类型。白矮星研究表明,成分类似地球的岩石世界在我们的银河系中很常见。因此,找到适合生命存在的岩态行星的前景是光明的。



“给少年的科学前沿”系列(7)


撰文 本杰明·祖克曼(加州大学洛杉矶分校物理和天文系)

原文编辑 艾梅·珍妮特·亨尼西(美国亚利桑那大学)

翻译 林一平

审校 苟利军(中国科学院国家天文台)

编辑 韩琨


小黑板

系外行星:所有围绕太阳以外恒星运转的行星都叫做(太阳)系外行星。


白矮星:一种体积远小于我们的太阳、跟地球差不多大的恒星。几乎所有正常恒星最后都会变成白矮星,对于我们的太阳,这种变化将会发生在50亿年之后。


光谱仪:一种将光分解成彩虹一样的若干颜色的仪器。每种颜色对应于某种波长的光,因为每种元素只发射和吸收对应于该元素的特定波长的光,光谱仪可以测量产生光的物质中存在哪些元素。


陨石:一种来自外太空的石头或者金属物体,在穿越地球大气的过程中幸存下来,击中地球的陆地或者水域表面。陨石起源于小行星之间的碰撞。 


在所有科学家希望回答的问题中,很少有问题能像“在我们的地球之外,是否有其他有生命的世界?如果是,有像人类一样拥有智慧的外星生物吗?”一样激动人心。宇宙中可能存在其他生命,是我八、九岁那会开始对天文着迷的原因之一。像很多孩子一样,我在游览本地(美国纽约市)天文馆的过程中获得良多,也痴迷于科幻电视和电影。我仍然记得我的英雄闪电戈登和扎尔科夫医生与残忍的铭在铭的母星蒙戈的大战。(译者注:闪电戈登是美国上世纪三十年代的一个太空冒险漫画故事。)

 

六十年后的今天,我作为一名天文学家,已经花费几乎整个职业生涯的时间去调查宇宙中生命问题的相关现象。我最近的研究聚焦于行星系统的起源和演化,包括我们最熟悉的行星系统——太阳系。大部分天文学家预想生命只能起源于行星,也许还是大小、组成(构成行星的材料)和温度类似地球的行星。地球、金星、火星和水星被称为“岩态”行星,因为它们几乎全部由固态物质构成,只有少量的气态物质(比如我们大气中的气体)。

 

本文的主要目的,是描述天文学家现在如何可以第一次测量构成围绕太阳以外其他恒星运行的岩石世界的“基本构成单元”成分。如果其成分与地球类似,那就可以合理地推断这些世界也许孕育着外星生命,也许还是与地球生命差别不大的生命形式。

 

在我年轻的时候,我们还不知道太阳系外存在任何别的行星,天文学家们讨论了如何寻找“系外”行星的技术。一种很显然的寻找系外行星的办法就是“直接成像”,也就是可以看到和拍摄围着其他恒星转的行星的照片,就像在夜空中可以看到金星和木星一样,用合适的仪器可以拍摄这些系外行星的照片(见图1)。当无法直接拍摄系外行星的照片时,天文学家可以改换其他技术,即通过行星对其绕转恒星的影响来揭示行星的存在。比如说,假如从地球上的望远镜看过去,行星正好从其恒星的前方经过,行星会挡住一小部分恒星光芒,这种变暗是可以测量的。在我们太阳系中,偶尔也会有从地球看过去金星从太阳前方经过的现象。2004年和2012年就发生了两次,成千上万的人们借助太阳望远镜目睹了这一现象(见图2)。(译者注:请勿使用任何望远镜直接观测太阳,请在专家指导下使用合适的滤光器材,以免造成严重伤害。)

 

图1. 亮星HR 8799和它已知的四颗巨型行星的图像。四颗行星分别为恒星右侧、上方和下方的亮点、以及左上角的那个较暗的点。恒星其实比行星亮很多很多,但这张图里恒星的光芒被一个恰当放置于恒星前方的遮盖物挡住了。因为这种遮挡并不是完美的,在图片中心可以看到残余的星光从遮盖物边缘透出。HR 8799以及它的四颗比木星还重的行星距离地球约130光年。(加拿大国家研究院、C. 马鲁瓦、凯克天文台)(AU=天文单位)


图2. 金星从太阳前方穿越,2012年拍摄于夏威夷哈雷安卡拉。金星是太阳圆面上黑色的圆点,其他不那么明显的特征是太阳黑子和太阳高能活动增强的区域。(由克莱中心天文台的罗恩·丹托魏特茨和威廉学院-霍普金斯天文台的杰伊·巴萨乔夫拍摄)


目前天文学家正在使用的、用来揭示地外岩石世界组成的最佳技术,不是较老的传统技术,而是包含了新东西。本文将描述这一使天文学家感到非常惊奇的新技术。通过分析来自恒星的光,我们可以学到更多有关这颗恒星是由什么构成、是否有行星围着它转动的知识。最大的惊奇也许是,一百年前,在天文学家懂得如何解释星光之前,这种技术就产生了首批关于系外行星系统存在的证据[1]。该行星系统围绕着一颗叫做范马南2的恒星,该恒星得名于发现它的天文学家阿德里安·范·马南(AdriaanVan Maanen)。天文学家花了近百年的时间才有足够的天文和技术知识来理解这一证据,并认识到范马南2被一个行星系统所环绕[2]


类似于活着的生物,恒星也有诞生、年老和死亡。我们的太阳正处于中年时期。它已经存在了46亿年,按照物理计算,它还会继续存在同样的时间,随后成为白矮星。现在的太阳具有30万个地球的质量,和100倍于地球的直径(直径是指通过某颗行星或恒星中心并向外延伸至表面的线段的长度)。太阳成为白矮星之后将仍有现在一半的质量,但它会变得很小,只有地球那么大(这就是为何这类恒星被称为“矮”星)。因为白矮星体积跟地球差不多大,质量却比地球大10万倍,它们非常致密且有强大的引力。如果你现在体重是100磅(约45公斤,译者注),在一颗典型的白矮星上,你的重量将会超过1000万磅。银河系中有很大一部分恒星将会以白矮星的形式度过晚年,范马南2就是一颗白矮星。


引力是自然界中的基本相互作用力之一。太阳系中的所有物体,太阳、行星、小行星都能感受到太阳系中其他物体的引力(拉扯)。如果白矮星由行星和类似我们太阳系小行星那样的小天体所围绕,那么行星的引力拉扯可能会改变小行星轨道,使得小行星非常靠近白矮星。在其强大引力的作用下,白矮星会将小行星撕扯成小块的岩石残骸。这些残骸先是进入环绕白矮星运行的轨道,形成类似土星环那样的环状结构(见图3)。一段时间之后,这些绕转的残骸将会坠入白矮星。


图3. 绕白矮星运行的行星系统的艺术概念图。白矮星为红色圆环中心的白点,在前景中我们可以看到岩态小行星。如果这种小行星的轨道被行星引力改变的足够多,那么该小行星可能非常接近白矮星,并被撕裂成近距离绕转的岩态碎片。红色圆环代表已经被白矮星强大引力撕碎的早期小行星的岩态碎片。


我们在自然界见到的每一件东西,都是由叫做化学元素的92种独特的原子“积木”搭建起来的。一种元素的证认和命名依据于其原子核心也就是原子核的大小。氢是最简单和最轻的元素,铀是自然界中发现的最重的元素。使用一种可以将白光分解为彩虹一样的若干颜色的、叫做光谱仪的仪器,天文学家可以确定坠入白矮星的岩石残骸所来自的小行星由哪些元素组成。因此,找到围绕白矮星运行的岩石天体的化学组成是可能的。行星科学家相信我们太阳系中的水星、金星、地球、火星等岩态行星形成于46亿年前,是由大量类似现在在火星和木星轨道间运行的小行星的小天体汇集而成的。我们现在通过坠入地球的陨石来得到这些小行星的直接样品,陨石是很早以前由遭到碰撞的小行星产生的小碎片。


因此,通过将来自太阳系的火星、地球、月球和小行星的元素组成,与在很多白矮星大气中看到的残骸的组成相比较,天文学家现在可以回答“围绕太阳外其他恒星运行的岩石世界是否有类似于我们地球的化学组成,或者有非常不同的化学组成?”这一问题了。如果化学组成非常类似或者非常不同,那么这会是一个支持或者反对其他岩态系外行星上存在生命的可能性的重要的证据。


地球上含量最丰富的四种元素是铁、镁、氧、硅。天文学家使用分光镜对白矮星大气进行了研究,发现这四种元素同样主导了岩态系外行星的化学组成[3]。因此天文学家头一次可以确信地说,白矮星研究证明了大部分围绕恒星运行的岩石世界的化学组成类似于地球的整体化学组成。更详细的理解需要更进一步的研究,很可能需要使用位于行星际空间的望远镜。


在我们的行星上,组成的元素并不是均匀混合的。相反地,地球上大部分铁元素都深埋于地球的中心也就是地核中;位于地核上方的地幔则富含镁元素;最外层的地壳含有丰富的硅和铝。行星和较大的小行星在不同深度有不同化学组成的现象被称为“层化”。


通过光谱仪测量某些白矮星大气中残骸的化学组成,可以得出关于曾经环绕该恒星运行的岩石天体的结构细节。比如说,一颗名为NLTT 43806的白矮星大气中的物质含有格外多的铝和相对比较少的铁(NLTT 43806是名为NLTT的星表中的一颗恒星,NLTT星表是由天文学家威廉·鲁坦在二十世纪中叶编撰的)。我们可以将NLTT 43806大气中九种元素的含量与太阳系中包括陨石、地球上和月球表面的物质进行比较,通过这种方式,天文学家发现NLTT 43806中的化学组成类似于地壳和上层地幔的物质的混合[4]。这一结果可以由一颗曾经或者正在绕NLTT 43806转动的层化的地外行星来解释,这颗行星具有地壳、地幔和地核。


如果这颗行星遭受了强烈但并不是正面的碰撞,那么这种碰撞会剥离层化行星的部分外层结构。如果碰撞产生的岩石残骸随后落入NLTT 43806,那就可以解释在这颗白矮星大气中测量到的元素比例。


回到范·马南百年前的发现,多年后的今天,我们终于弄明白了他的光谱仪当年在范马南2上探测到的铁、镁、钙等元素,是来自之前绕该白矮星运行的一颗或者多颗破裂的岩态小行星或者行星。最近关于NLTT 43806等白矮星的研究证明过去十余年天文学家对岩态系外行星的理解有了长足进展。我们现在知道这种世界的化学组成与地球类似,而且也有层化结构。天文学家下一步要做的,就是确定这些行星是否孕育了外星生命形式。


参考文献

[1] van Maanen, A. 1917. Two faint stars with large proper motion. Publ. Astron. Soc. Pac. 29:258–9. doi: 10.1086/122654

[2]  Zuckerman, B. 2015. Recognition of the first observational evidence of an extrasolar planetary system. In 19th European Workshop on White Dwarfs, Proceedings of a conference held at the Université de Montréal, Montréal, Canada 11-15 August 2014. ASP Conference Series. Vol. 493. eds. P. Dufour, P. Bergeron and G. Fontaine. San Francisco: Astronomical Society of the Pacific. p. 291.

[3] Jura, M., and Young, E. 2014. Extrasolar cosmochemistry. Annu. Rev. Earth Planet Sci. 42:45–67. doi: 10.1146/annurev-earth-060313-054740

[4] Zuckerman, B., Koester, D., Dufour, P., Melis, C., Klein, B., and Jura, M. 2011. An aluminum/calcium-rich, iron-poor, white dwarf star: evidence for an extrasolar planetary lithosphere? Astrophys. J. 739:101–10. doi: 10.1088/0004-637X/739/2/101


审稿人

来自拉普瓦伊高中14-17岁的学生:拉普瓦伊高中位于美国爱达荷州拉普瓦伊,靠近内斯·皮尔斯保留地。九名塔米教堂数学班的内斯·皮尔斯学生审阅了本文。


本文译自Frontiers for Young Minds网站。

原文标题:Are There Other Earths Out There? Astronomers’ First Clues to an Answer Date Back 100 Years

原文链接:https://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2016.00006

Copyright Policy:CC BY 3.0


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