NASA新发现一颗地球大小的宜居行星:曾被错误分类,高中生纠错

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NASA新发现一颗地球大小的宜居行星:曾被错误分类,高中生纠错
麻省理工科技评论 2020-01-08

2020-01-08

NASA的“行星猎人”找到一颗与地球大小相当,可能适合人类居住的行星,并且其环境或许与地球完全不同。
天文学 NASA
NASA的“行星猎人”找到一颗与地球大小相当,可能适合人类居住的行星,并且其环境或许与地球完全不同。

如果说人类寻找新能源是为地球的未来提供更多选择,那么在宇宙中寻找下一个“地球”,或许就是给人类的未来提供备选出路,

美国国家航空航天局(NASA)宣布,其凌星系外行星巡天卫星,也是被誉为“行星猎人” 的 TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite)在其观测的恒星宜居带区域中发现了第一颗与地球大小相当的行星,并推测其星球表面可能存有液态水。

随后,科学家使用 NASA 的斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)确认了这个被命名为 “TOI 700d” 的发现,并且对该行星的潜在环境进行了建模,以便在将来的观测中提供更多参考依据。

TOI 700d 是人类迄今为止在恒星的宜居带(指一颗恒星周围可能存在液态水的区域)中发现的,仅有的少数几个地球大小的行星之一。其他还包括距离地球约 39.13 光年的 TRAPPIST-1 系统中的几颗行星,以及 NASA 开普勒太空望远镜发现的少数行星。

NASA 喷气推进实验室于美国时间 1 月 6 日在檀香山举行的美国天文学会第 235 次年会上,正式对外宣布 TOI 700d 的发现。随后,NASA 在其官网也发表了这项发现,并将相关细节做成视频(大小约 8MB)。

“行星猎人”TESS 与 Spitzer 太空望远镜的功劳

TESS 是 NASA “探索者计划”的太空望远镜之一,其核心成像载荷由麻省理工学院设计并建造,在 2018 年 4 月发射升空之后就开始了它的行星搜寻之旅。

TESS 采用凌日法(利用行星对恒星光源的遮挡)来探测系外行星,它长时间地注视着天空,寻找由我们与恒星之间绕行的行星所引起的微弱的、有规律的星光下降(即凌日);同时,从恒星变暗的程度也能推测出行星相对于恒星的大小。

“ TESS 的设计和发射是专门为寻找绕恒星附近运行的、地球大小的行星而设计的。” 在华盛顿 NASA 总部的天体物理学部门主管 Paul Hertz 说,“恒星附近的行星最容易被太空和地球上的大型望远镜跟踪,而找到 TOI 700d 是 TESS 的一项关键科学发现。用 Spitzer 太空望远镜确认了行星的大小和可居住区状态也是 Spitzer 今年一月科学操作的又一个胜利。”

“行星猎手” TESS 的单次工作会持续监视一大片天空 27 天,其观测范围被称为“扇区”。这种长时间地凝视有助于人们通过卫星来跟踪行星的过境行为——由于行星在其环绕的恒星前横越轨道而引起的亮度变化。

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图 | 距地球 100 光年之外的 TOI 700d(来源:NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite)

高中生来挑错

TOI 700d 环绕的恒星 TOI 700 位于多拉多星座南部,是一颗小且冷的 M 矮星,距我们只有 100 光年。整体来看,它大概是太阳质量和大小的 2/5,其表面温度是太阳表面温度的一半。

这颗恒星在最早被发现之时,被 NASA 的科学家认为和太阳更相似,并错误地将其在 TESS 数据库中被归类为“近似于太阳”,而这个错误意味着这些行星看上去比实际要更大、更热。

但与 TESS 小组成员一起工作的一名高中生 Alton Spencer 在和几位研究人员操作时,发现了这个错误。

芝加哥大学的研究生 Emily Gilbert 表示:“当我们修正了恒星 TOI 700 的参数之后,其尺寸减小了,这让我们意识到最外层行星的尺寸大概和地球尺寸相同,并且位于宜居区域。除此之外,在 11 个月观测数据中,我们都没有看到恒星产生耀斑,这大大增加了 TOI 700d 适宜人类居住的机会,并使我们对大气和地面状况的建模变得更加容易。”

Emily Gilbert 和其他研究人员在美国天文学会的第 235 次会议上介绍了这些发现,而关于该发现的三篇论文(其中一篇的第一作者就是 Emily)已提交给科学期刊。

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图 | 基于一个覆盖着海洋的星球的几个模拟环境而设计的 TOI 700d 插图(来源:NASA's Goddard Space Flight Center)

这颗可能适合人类居住的 TOI 700d 是围绕着恒星 TOI 700 的三颗行星之一 ,其与恒星 TOI 700 的距离刚好在可能存有液态水的宜居范围之内,而另外两颗被命名为 “TOI 700b” 和“TOI 700c”的行星则距离恒星太近。

最内侧的行星 TOI 700b,大小也几乎与地球一样,可能由岩石组成,每 10 天完成一次轨道环绕。而 TOI 700c 是一颗中行星,每 16 天绕轨道运行一圈,是地球大小的 2.6 倍,介于地球和海王星的大小之间,可能是一个充满天然气的世界。

而 TOI 700d 是该恒星系统宜居带中唯一的一颗行星,其测量大小比地球大 20%,每 37 天绕轨道运行一周,并且能从恒星 TOI 700 处吸收到能量(差不多是地球接收太阳能量的 86%)。这颗行星被认为具有潮汐锁定能力,这意味着它的一侧总是处于白天。

这项天文发现的意义

位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛史密森尼天体物理中心的天文学家 Joseph Rodriguez 领导的一组科学家要求使用斯皮策太空望远镜(Spitzer)进行后续观测以确认 TOI 700d。

Rodriguez 说:“鉴于这项发现是 TESS 找到的第一个位于宜居带且地球大小的星球,我们希望能对这个系统的理解尽可能具体。Spitzer 完全根据我们的预期看到了 TOI 700d 的过境,这是对寻找人类宜居星球任务传承的极大补充。”

Spitzer 太空望远镜的数据提高了科学家对 TOI 700d 是真实行星的信心,并进一步精确了对轨道周期和尺寸的测量数据。它还排除了在传输信号时其他可能的天体物理学原因,例如系统中存有较小、较暗的伴星等情况。

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图 | Spitzer 太空望远镜(来源:NASA)

由于恒星 TOI 700 比较明亮,并且周围没有星状耀斑的迹象产生,因此该系统是当前地面观测站进行精确质量测量的首选。这些测量结果可以证实科学家的估计,即内行星和外行星都是岩石的,而中行星是由气体构成的。

未来的任务也许能够确定 TOI 700d 行星中是否存有大气,如果有的话甚至还可以确定大气的组成成分。

尽管 TOI 700d 的各种细节尚不清楚,需要天文学家进一步去确认。但科学家已经可以利用当前的信息(例如行星的大小与围绕恒星的类型等)来生成计算机模型并进行模拟预测。NASA 戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的研究人员对 TOI 700d 的 20 种潜在环境进行了建模,以评估是否有任何情况会导致表面温度和压力适于居住。

他们的 3D 气候模型检查了科学家通常认为的,与潜在可居住世界相关的各种地表类型和大气成分。据推测,该行星的云层和风的类型可能与地球截然不同。

此外,当星光穿过行星的大气层时,它会与二氧化碳和氮等分子相互作用,产生独特的信号——光谱线。由大学空间研究协会的访问学者 Gabrielle Englemann-Suissa 领导的建模团队为 TOI 700d 的 20 个建模版本生成了模拟光谱。

“总有一天,当人们得到来自 TOI 700d 的真实光谱时,我们可以回溯,并将其与最接近的模拟光谱相匹配,进而找到与之相对应的模型。” Englemann-Suissa 说,“这是十分令人兴奋的,因为无论我们从这颗可能宜居的行星上了解到什么,它看起来都将与地球上的东西完全不同。”

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