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类泰坦的系外行星?能否成为科学界的“宠儿”?

2020-03-28 作者:

土星的巨大卫星泰坦是太阳系中最迷人的行星之一。为什么?泰坦的身份不仅仅是土星的卫星,因为它几乎是太阳系中除地球之外最像地球的行星!

泰坦:生命的希望QQ截图20200327205043.png

2013年1月,美国宇航局的卡西尼号飞船捕获了土星的朦胧卫星土卫六,它距离土星约144万公里。那时,科学家们开始对这个多雾的星球毫无理由地充满好奇。像地球一样,土卫六也有一个厚厚的氮基大气,复杂的化学物质——甚至可能是导致生命的物质——可能已经存在。现在,研究人员已经确定,除了太阳系之外,科学家们还在太阳系外的系外行星上观测到了类似于土卫六周围的雾霾,下一代太空的望远镜可以观测到像土卫六这样的系外行星的雾霾。

类似泰坦的:巴纳德之星

尽管大多数系外行星搜索都集中在寻找与地球相似的行星上,但科学家们想知道即将到来的仪器能否识别出可能与我们的地球完全不同的可居住行星。通过模拟,他们围绕不同的恒星类型建立了类似泰坦的世界模型。他们认为,如果这些行星离它们的恒星足够远,可以让甲烷凝结,如果水和岩石的比例足够高,可以将挥发性化合物喷射到大气中形成烟雾,那么这些行星就会像土卫六一样。QQ截图20200327205129.png

团队模拟的第一批明星之一是巴纳德之星。巴纳德星是太阳系附近的一颗恒星,其质量大约是地球的三倍。这个系统有一个潜在的世界,巴纳德星B,位于系统的冰线附近,在那里水和其他气体可以冻结成固体,而像甲烷这样的物质可以凝固,就像我们太阳系中的泰坦一样。由于观测条件有限,科学不得不使用一些特殊的红外天文望远镜进行观测,如LUVOIR(大型紫外/光学/红外探测器)!

卢瓦尔太空望远镜

LUVOIR是一个多波长太空望远镜,美国航天局计划将其用作未来的观测仪器。费尔顿是华盛顿特区美国天主教大学的研究生。今年1月,他在陆璐檀香山举行的美国天文学会半年一度的冬季会议上宣布了该项目的结果。QQ截图20200327205028.png

研究小组发现,在地球上可以用类似于鲁瓦的仪器看到类似于土卫六的薄雾,类似土卫六的系外行星的大气可以用一个Tai 空的大望远镜来描述。

泰坦:一个毛绒绒的世界

我们知道土卫六的气体主要由氮气、一些甲烷、少量氢气和各种其他气体组成。当氮气和甲烷气体上升到土卫六的高层大气时,阳光和热量将它们分解成更大的分子,在大气中产生一种烟雾,类似于地球上大城市的空。研究人员得出结论,围绕不同恒星的类似土卫六的行星应该有不同的特征,因为烟雾粒子的大小会随着温度而变化。

首先,费尔顿和他的同事模拟了一颗类太阳恒星周围的世界。尽管这些恒星周围的世界在烟雾大小和气体混合物方面与土卫六相似,但有一个重要的区别。虽然土卫六是一颗卫星,但研究人员正在研究行星。QQ截图20200327205037.png

然而,两者之间的差别是相当小的。泰坦的宽度大约是地球的40%,质量是地球的2%,但是费尔顿说这不是一个严重的问题。有了岩石和水的正确组合,一颗地球大小的行星应该能够在离恒星更远的地方捕获气体,因为那里的温度更低。尽管土卫六最终形成了一颗卫星而不是一颗行星,但在同一区域缺少气态巨行星的星系更有可能拥有类似土卫六的行星。

当然,时机也很重要。过去,地球曾经有一层厚厚的烟雾。虽然它现在可能没有土卫六厚,但这是在一个真实的类地行星上有雾的进一步证据。

费尔顿和他的同事还用温度较低的恒星作为模型模拟了一个烟雾弥漫的世界。较低的温度降低了烟雾到达大气的高度,但是费尔顿说,这种差异不应该大到足以影响对世界的成像。然而,较低的温度也影响了着陆前烟雾颗粒的大小。在这些模型中,气体分子在大气层顶部结合在一起形成单体,而这些分子可以结合在一起形成聚合物。当它们落入空气体时,气体分子开始聚集在一起形成不对称的分形单体。QQ截图20200327205020.png

这些分形令研究人员头痛。费尔顿说,自2016年以来,他一直致力于将烟雾模拟成分形形状,而不是球体。直到2019年的感恩节,他才最终实现了将类似泰坦的世界放置在不同类型的恒星周围的模拟,比如红矮星。

科学家研究的最暗的恒星是红矮星,这是一颗以大规模火焰活动而闻名的冷星,尤其是在他们年轻的时候。因为红矮星太暗,行星必须绕更近的轨道运行,以达到它们在类太阳恒星周围能达到的温度,这使得它们更有可能被耀斑击中。较低的温度将导致雾层变薄,降低它们保护地球免受外部辐射的能力,这可能会影响它们的可居住性。timg.jpg

巴纳德是一颗红矮星,距离太阳约6光年。2018年,研究人员在附近一颗暗淡的恒星周围发现了一个潜在的冷却超级地球。费尔顿说,候选行星的低温环境可能导致它在形成时收集类似土卫六的气体,使它能够保持今天的雾状状态。在红矮星和类日星之间是K星。根据新的研究,围绕k星的类似土卫六的世界可能会形成比围绕类太阳恒星的雾更低的雾,粒子更小。

借助新一代望远镜,天文学家可以探测到这三种类型恒星周围的模糊世界。他们收集的数据可以揭示关于这些行星大气的大量信息,帮助研究人员更好地理解不同类型的潜在可居住环境,而不是更传统的类地世界。

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