巨型望远镜上线后,或可探测系外行星的“珠穆朗玛峰”

天文学家们提出了一种方法,可以在遥远行星上发现山脉、海洋和火山等,而这些行星都太小,无法直接观测到。

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珠穆朗玛峰。

喜马拉雅山对地球表面的扭曲程度,就像一根头发对一个台球的扭曲程度一样微乎其微。要辨别这种对围绕另一颗恒星运行的行星的微小影响,似乎是可笑的——就像在月球上的台球上感知到头发一样。然而,两位天文学家提出了一种方法来探测系外行星上的山脉和其他表面特征。尽管这听起来可能令人难以置信,但研究人员的目标甚至更高远。

“或许可以说这个项目本身并不那么令人兴奋,”哥伦比亚大学研究生莫伊亚·麦克蒂尔说,她与哥伦比亚大学天文学助理教授大卫·基平共同撰写了描述该提议的论文。“因为一旦你发现了山脉,又怎么样呢?[但是]这引出了我们在过去几十年里一直想回答的问题:这些行星能孕育生命吗?”

我们星球上的生命显然取决于我们星球的生命,包括循环碳和调节温度的板块构造,以及由地球自转和熔融地核结合产生的磁场,该磁场保护地球免受否则会威胁生命的太阳风的影响。因此,除了风景之外,山脉和火山等表面特征可以被视为我们星球孕育生命的内在生命的外部标志。


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但是在系外行星上看到它们是一个大胆的想法。尽管天文学家迄今已经识别出约 3700 颗这样的行星,但对它们知之甚少——通常仅知道它们的大小和质量。大多数是通过所谓的凌星法检测到的,即当天文学家测量一颗围绕恒星运行的行星从它前面经过时,来自遥远恒星的光线略微变暗。麦克蒂尔和基平的策略建立在该方法的基础上,并且可能需要直径大于 70 米的巨型望远镜。已经提出了其中一些望远镜,但可能还需要几十年才能投入使用。

即使是这些庞然大物也无法直接看到系外行星上的山脉。天文学家的见解是,一颗旋转的山地行星在经过其恒星时会产生变化的轮廓,使得产生的凌星光曲线不仅会显示出证明行星存在的明显下降,而且会显示出凹槽内的凸起,这些凸起反映了该物体不断变化的横截面积。通过对地球、火星和月球等测绘良好的天体进行凌星建模,麦克蒂尔和基平得出了凌星曲线的凹凸不平和天体的凹凸不平之间的近似关系,根据他们的测量,地球约为 500 米,火星约为 3000 米(火星有更高的山脉,地球的海洋具有平滑效果)。尽管该方法不能保证解析单个特征,但它可以让人了解行星的整体崎岖程度。

即使这样也说起来容易做起来难。为了用可预见的望远镜实现足够的信噪比,天文学家将他们的注意力缩小到特别崎岖的行星围绕尽可能小的恒星——白矮星(较大的恒星死亡后留下的地球大小的残骸)运行的最佳情况。尽管尚未发现有系外行星围绕此类恒星运行,但基平对此持乐观态度,因为在它们的大气层中,很大一部分都出现了附近类行星物质的证据;理论还表明,它们可以孕育宜居行星。根据我们星系中白矮星的数量,以及保守假设的拥有行星的数量,天文学家认为其中一些应该在离我们大约 225 光年的范围内,并且发现通过一台 74 米的望远镜观测大约 20 个小时(分散在五个半月内)的凌星现象,可以有把握地测量到火星水平的崎岖程度。这是一个艰巨的任务,因为目前世界上最大的光学望远镜的直径约为 10 米,尽管目前在智利建造的所谓欧洲极大望远镜的直径将达到 39 米。

还有其他复杂因素。基平最担心的是覆盖山脉的云层。麦吉尔大学研究系外行星大气的天文学家尼古拉斯·科恩同意云层是“一个巨大的障碍”,但也担心即使没有云层,大气吸收、散射和光的折射也会破坏观测效果。“我怀疑,”他说,“为了使该方法对行星有效,它可能需要是无空气的。”不过,哥伦比亚大学的研究人员认为,他们可以通过观测不同波长的光来减轻这些影响。

即使天文学家确实设法测量了一颗行星的崎岖程度,他们也需要额外的数据来解释它对宜居性的影响。行星表面陆地和水混合似乎是生命的最佳选择,这表明适度的崎岖程度,介于水覆盖世界的平滑度和火星的崎岖程度之间是理想的。但是,仅凭崎岖程度并不能区分部分水覆盖的世界和丘陵起伏的世界,尽管与表明海洋的镜面反射相结合,它可以。崎岖程度也不能区分山脉和火山,尽管与行星大气层中二氧化碳和硫的光谱测量相结合,它可能会。而且,山脉并不一定能证实地球碳循环所需的构造活动类型,但当与行星地壳中相关金属浓度的估计值相结合时,它们可能会强烈暗示这一点。“没有单一的信息可以解决这个问题,”基平指出。

尽管科恩表示探测系外山脉的想法“有点不切实际”,但基平坚持认为这是值得的,至少是为了激励更大望远镜的设计。“这些类型的任务需要几十年的规划,”他说。“如果没有人思考这些问题,那么我们就只能四处碰壁。”

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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