Only Perception: 尋找孿生地球比想像中困難

2009-03-22

尋找孿生地球比想像中困難

Finding Twin Earths: Harder Than We Thought
http://www.physorg.com/news156776825.html

March 20th, 2009

(PhysOrg.com) -- 孿生地球存在於我們銀河某處？天文學家愈來愈靠近在一個如地球般的軌道中找到一個如地球般大小的行星。NASA 的 Kepler（喀卜勒）太空船才剛發射要去尋這樣的世界。一旦搜尋成功，後續驅使研究的問題將會是：那顆行星適於居住嗎？它是否有地球般的大氣？回答問題將不容易。

由於它的大鏡子與位於外太空中的位置，James Webb 太空望遠鏡（JWST，預計在 2013 年發射），將提供天文學家第一個尋找這些答案的真正可能性。在一項新研究中，Lisa Kaltenegger（Harvard-Smithsonian 天體物理學中心）與 Wesley Traub（NASA 的 JPL）檢查 JWST 在那些假定類地行星的凌星（transit，凌越，在太陽系則稱凌日）期間，描繪其大氣特性的能力，那時候來自於恆星的光有一部份會通過該行星的大氣。他們發現，JWST 將能夠偵測某些被稱為生物標記（biomarkers）的氣體，例如氧、甲烷，但只有大小最接近地球的世界。

"我們真的要很幸運才能夠在某一次凌星事件期間解讀類地行星的大氣，讓我們能辨別它如同地球一樣，" Kaltenegger 說。"我們得要增加許多次凌星才能這麼做 -- 要幾百次凌星，即使是 20 光年這麼近的恆星都一樣。"

"即使那很難，但要將一顆遙遠行星的大氣特徵化，會是一場極令人振奮的努力，" 她補充。

在一次凌星事件中，從地球上看過去，一顆遙遠的外太陽系行星會從其恆星前方越過。當這顆行星凌星時，其大氣中的氣體將吸收些許該恆星的光線，留下每種氣體的特定特徵（fingerprints）。將恆星的光分解成五彩繽紛的顏色，或稱光譜，天文學家藉此能察看這些特徵。Kaltenegger 與 Traub 研究這些特徵是否能被 JWST 偵測到。

她們的研究發表在 The Astrophysical Journal 上。

凌星技術相當具有挑戰性。如果地球大小如同籃球，大氣將如同一張紙那樣薄，所產生的訊號將十分微小。此外，這種方法只有當行星在其恆星前方時才有用，而且每次凌星最多持續幾個小時。

Kaltenegger 與 Traub 首先考慮一個將繞行一顆太陽般恆星的類地世界。為了從單一凌星獲得可偵測的訊號，恆星與行星將要非常靠近地球。唯一夠接近的類太陽恆星是 Alpha Centauri A（南門二 A，譯註：半人馬座α星，它其實是個三星系統，又半人馬座與人馬座 (射手座) 不同）。這樣的世界尚未被發現，不過技術只有現在才變得能夠偵測地球大小的世界。

此研究也考慮繞行紅矮星的行星。這樣的恆星，稱為 M 型（type M），是銀河系中最多的恆星 -- 比黃色的、G 型恆星，如太陽，更加常見。它們也比太陽更冷、更黯淡，也更小，那使得尋找正在凌越一顆 M 恆星的類地行星會更加容易。

類地世界得要在夠靠近的地方繞行紅矮星，才能維持液態水。因此，這顆行星環繞的速度將會更快，而每次凌星將持續幾個小時到只有幾分鐘。不過在一給定時間中，它將會經歷更多次凌星。天文學家能藉由添加來自於數次凌星的訊號改善他們偵測大氣的機會，這使得紅矮星因其更為頻繁的凌星而成為具有魅力的目標。

每一年，一個類地世界繞行一顆太陽般的恆星，將經歷一次 10 小時的凌星。累積 100 小時的凌星觀察將花 10 年。相較之下，一個地球繞行一顆中等尺寸的紅矮星，每 10 天就會經歷一次 1 小時的凌星。累積 100 小時的凌星觀察將花不到三年。

"鄰近的紅矮星提供了最佳可能性來觀測某一凌越地球大氣中的生物標記，" Kaltenegger 說。

"最終，直接成像 -- 研究來自行星本身光線的光子 -- 也許能提供一種比凌星技術更強大的方法來描繪類地世界大氣的特性，" Traub 說。

NASA 的 Spitzer 與 Hubble 太空望遠鏡都研究過超熱、巨大的氣體系外行星的大氣組成。無論是針對單一行星增加數百次的凌星，或是透過阻擋星光並直接分析該行星的光，下一部都是描繪一顆「pale blue dot（淡藍點，指地球般的世界，同時也是已故天文學家 Carl Sagan 的書名）」的特徵。

在最佳情節中，也許真能證明南門二 A 有一顆沒人見過的、凌越中的類地行星。接著，天文學家將只需要少數凌星就能夠解讀那顆行星的大氣層，也許能證實第一顆孿生地球。

※ 相關報導：

＊ Trestrial exoplanets: diversity, habitability and characterization
http://dx.doi.org/10.1088/0031-8949/2008/T130/014032