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宇宙中还有其他地球存在吗?100年前,天文学家首次有了重大发现

2020/6/25 20:25:53 来源:航天少年 浏览:

序言

在科学可能希望回答的所有问题中,没有几个比“除了我们的地球之外的世界上还有生命吗,如果有的话,是否有任何外星生物拥有与人类相似的智能?”更令人兴奋。

但是,我们如何才能找到围绕太阳以外的恒星运行的类似地球的岩石世界呢?

宇宙中还有其他地球存在吗?

值得注意的是,证明这样的世界存在的第一个天文证据可以追溯到100年前!

这一证据涉及对一颗名为“白矮星”的恒星的观测,白矮星是我们的太阳在50亿年后将成为的恒星类型。 对白矮星的研究表明,成分与地球相似的岩石世界在我们的银河系中很常见。 因此,寻找适合生命存在的岩石行星的前景是光明的。

用来揭示太阳系外岩石世界组成的技术

这篇文章的主要目的是描述天文学家现在如何首次测量围绕太阳以外的恒星运行的岩石世界的组成。 如果这些成分被发现与地球的成分相似,那么就有理由得出这样的结论:这些世界可能有外星生命形式,也许生命与地球生命没有太大不同。

几十年前,在我们知道太阳系以外的任何行星存在之前,天文学家们会讨论可以用来寻找“太阳系外”行星的技术,也就是说围绕太阳以外的恒星运行的行星。 发现太阳系外行星的一项显而易见的技术就是所有围绕不是太阳的恒星运行的行星都被称为太阳系外行星。

它被称为“直接成像”,人们可以看到并拍摄一颗围绕另一颗恒星旋转的行星,就像人们可以在夜空中看到金星和木星一样,并通过合适的设备拍摄这些行星的照片(见图2)。 当不可能直接拍摄太阳系外行星的照片时,天文学家可以使用其他技术来揭示行星的存在,这些技术可以通过行星对其轨道上的恒星的影响来揭示行星的存在。

图2-明亮的恒星 HR 8799及其四颗已知巨行星的图像-行星是在恒星的右上方和上下方可以看到的三个亮点

例如,如果一颗行星碰巧从它的恒星前面经过,就像地球上的望远镜所看到的那样,那么这颗行星就会阻挡一点星光,这种暗淡是可以测量的。 在我们自己的太阳系中,从地球上看,金星极少数情况下会从太阳前面经过。 2004年和2012年发生了两次这样的事件,数百万人在太阳望远镜的帮助下目睹了这两次事件(见图3)。

这颗恒星实际上比行星明亮得多,但是,在这张照片中,大部分的星光被故意放在恒星前面的遮光罩遮住了。 因为这个阻塞物并不完美,所以残留的星光可以在接近图片中心的地方看到,从遮罩的边缘“窥视”出来。 Hr8799及其4颗行星——都比木星大——距离地球约130光年。

金星是位于太阳圆盘中心上方的黑色圆形斑点。 其他不那么突出的可见特征则与太阳黑子和高能太阳活动增强区域有关。

天文学家现在可以用来揭示太阳系外岩石世界组成的最佳技术不是这些古老的经典技术中的一种,而是某种新的技术。 这项让所有天文学家都大吃一惊的新技术将在本文中介绍。 通过分析恒星发出的光,我们能够更多地了解这颗恒星是由什么组成的,以及它周围是否有行星。

也许最令人惊讶的是,100年前,在天文学家了解如何正确解释星光之前,这项技术提供了太阳系外行星系统存在的第一个证据——围绕着一颗名为“范马南2”(以发现它的天文学家的名字命名)的恒星。 天文学家花了近100年的时间才充分了解天文学和这项技术,才理解证据,并认识到范马南2号是由一个行星系统运行的。

图3-2012年从哈莱阿卡拉山拍摄的金星经过时的太阳。

与生物相似,恒星诞生、衰老,然后死亡。 我们的太阳现在正处于中年。 它已经存在了大约46亿年,根据物理学的计算,在它成为所谓的“白矮星”之前,它将存在大约同样长的时间。 今天,太阳的质量大约是地球的30万倍,直径-穿过任何行星或恒星的中心,从一边延伸到另一边的直线的长度-大约是地球的100倍。

当太阳变成白矮星后,它的质量仍将是目前的1/2左右,但它会很小,只有地球的大小(这就是为什么这样的恒星被称为“矮星”)。 因为白矮星的大小和地球差不多,但质量是地球的10万倍以上,它们的密度令人难以置信,具有极强的引力-如果你现在重100磅,在典型的白矮星上,你的重量会超过1000万磅。

我们银河系中的绝大多数恒星将作为白矮星度过他们的晚年,白矮星大约和地球一样大,因此比我们的太阳等普通恒星要小得多。 几乎所有的正常恒星最终都会变成白矮星;就太阳而言,这将在50亿年后发生。 范马南2号是一颗白矮星。

重力的作用

重力是自然界的基本力之一。 太阳系中的所有物体--太阳、行星和小行星--都能感受到系统中所有其他物体的引力(拉力)。 如果一颗白矮星被行星和类似于我们太阳系中的小行星的较小物体所围绕,那么行星的引力可能会改变小行星的轨道,使得小行星离白矮星非常近。 由于其强大的引力,白矮星将把小行星撕裂成许多小块的岩石碎片。 这些碎片将首先进入围绕白矮星的轨道,形成环状结构,类似于土星周围的环(见图4)。 一段时间后,轨道上的碎片将落到这颗白矮星上。

图4-一个艺术家的概念部分行星系统的轨道围绕白矮星(白点在中心的红色环)。

在前景中,我们看到一些岩石小行星。 如果这样一颗小行星的轨道由于行星的引力而发生了足够的改变,那么这颗小行星可能会非常靠近白矮星,以至于被撕成小块,靠近恒星轨道运行。 这个红色的环代表了之前小行星残留下来的岩石碎片,这些碎片已经被白矮星的强大引力分解了。

天文学家的新方法

我们在自然界中看到的一切都是由92个独特的被称为化学元素的原子组成的。 元素的识别和命名取决于其原子核(称为原子核)的大小。 氢是最简单、最轻的元素,而铀是自然界中发现的最重的元素。 使用一种叫做光谱仪的仪器将光线分成各种颜色的彩虹。 每种颜色对应于不同波长的光,并且由于每个元素仅在该元素的特定波长特征处发射和吸收光,因此光谱仪可以识别哪些元素存在于负责该光的材料中。

通过将白光分解成彩虹的颜色,天文学家可以确定哪些元素构成了来自坠落在白矮星上的小行星的岩石碎片。 因此,就有可能计算出围绕白矮星运行的岩石天体的化学成分。 行星科学家认为,我们太阳系中的水星、金星、地球和火星这些岩石行星是在46亿年前由大量较小的物体积累而成的,这些物体类似于现在火星和木星之间围绕太阳运行的小行星。

我们现在有了这些小行星的直接样本,它们以陨石的形式存在,它们是来自外层空间的石头或金属物体,在穿过大气层后撞上地球的陆地或水面。 陨石起源于小行星之间的碰撞。 陨石是从很久以前遭受碰撞的小行星上分离出来的小碎片。

因此,通过将构成我们太阳系的火星、地球、月球和小行星的元素与许多白矮星大气中看到的碎片的组成进行比较,天文学家现在可以回答这个问题:“围绕太阳以外的恒星运行的岩石世界的组成与我们的地球相似还是非常不同?” 如果它们的组成非常相似或非常不同,那么这可能是支持(或反对)那些多岩石的太阳系外行星上存在生命的可能性的重要证据。

地球上最丰富的四种元素是铁、镁、氧和硅。 通过使用分光镜进行研究,天文学家发现这四种元素也支配着太阳系外岩石行星的组成。 因此,天文学家可以有史以来第一次满怀信心地说,白矮星的研究表明,大多数围绕恒星运行的岩石星球的组成与地球的整体组成相似。 如上所述,这一结论使我们离外星生命可能存在于其他星球的可能性更近了一步。 更详细的了解将需要更多的未来研究,最有可能的是使用位于星际空间的望远镜。

在我们的星球上,组成地球的元素并不都均匀地混合在一起。 相反,地球上的大部分铁都在其中心深处,被称为核心;地幔位于核心之上,富含镁;外层被称为地壳,富含硅和铝。 在不同深度具有不同成分的行星和大型小行星被称为“差异化”。

通过对一些白矮星大气中碎片成分的分光计测量,我们有可能弄清楚一些关于过去围绕恒星运行的岩质物体结构的细节。 例如,一颗白矮星大气中的物质(命名为nltt 43806,因为它是一颗恒星,在20世纪中叶由天文学家威廉路顿编撰的名为nltt星表的星表中有描述)特别富含铝,但铁含量相对较少。 我们可以将nltt 43806大气层中九种元素的含量与太阳系物体中它们的含量进行比较,这些物体包括陨石、地球的一部分和月球表面。

通过这种方式,天文学家们计算出,在NLTT43806中看到的元素的组成类似于在地壳和上地幔中发现的物质的混合物。 这一结果可以解释为,一颗分化的太阳系外行星,具有地壳、地幔和核心,过去或现在仍然围绕NLTT 43806轨道运行。

如果这颗行星与另一颗行星发生了猛烈的碰撞,但不是迎头相撞,那么碰撞可能已经剥离了分化行星的一些外层。 如果这次碰撞产生的岩石碎片随后落到nltt 43806上,那么这就可以解释这颗白矮星大气中现在测量到的元素比例。

结语

回到100年前范·马南的发现,经过这么多年,我们终于明白,他的光谱仪在范马南2号上探测到的铁、镁和钙元素肯定来自一颗或多颗之前围绕这颗白矮星运行的破碎的岩石小行星或行星。

最近对白矮星(如nltt 43806)的研究表明,天文学家在过去10年左右的时间里,在我们对太阳系外岩石世界的理解上取得了长足的进步。

我们现在知道,大多数这样的世界的组成与地球相似,它们也有不同的结构。 天文学家的下一步将是确定这些行星中是否有任何一个拥有外星生命形式。

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