地球2.0尋找指南——萬變不離其宗_風聞

原創：牧夫天文

作者：Matt Williams

翻譯：王婧彧

校對：王茸 楊伯順

美編：崔鬱

後台：庫特莉亞夫卡 李子琦

原文鏈接：

https://www.universetoday.com/143176/earth-is-an-exoplanet-to-aliens-this-is-what-theyd-see/#more-143176

地球2.0尋找指南——萬變不離其宗

在最近的十年，人類對系外行星的研究取得了長足的進步。4000多顆系外行星（超鏈接：https://exoplanets.nasa.gov/）中的大部分就是在這些年裏發現的，人類的目標也不單單侷限於增加這一名單的長度，而是轉向了對它們的精細研究。值得期待的是，下一代的儀器將能夠大規模地揭示關於這些行星的表面和大氣層的秘密。

一個問題自然而然地誕生了：對於在研究地球的外星種族來説，地球是什麼樣的存在呢？來自加州理工學院的科學家們利用不同波長下地球的資料繪製了一幅外星人眼中的“地球畫像”。為什麼會想到這麼清奇的研究角度呢？當然不僅僅是滿足人類的好奇心，它還能幫助天文學家重建類地行星的表面特徵。

研究團隊將結果發表在了《科學》雜誌上，論文的題目為《作為系外行星的地球——一幅二維外星地圖》，並且此團隊還將在《天體物理學雜誌通信》上發表文章。研究團隊由範斯騰(Siteng Fan)帶領,成員來自加州理工學院地質和行星科學系以及NASA噴氣動力實驗室(JPL)

藝術想象圖：系外行星的大氣與其母星相互作用

Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STSci)

在尋找潛在的宜居的系外行星時，科學家們不得不使用間接的方法。由於大多數系外行星的大氣成分和表面特徵無法直接觀測到，如果能知道“類地球”行星應該是什麼樣科學家們就心滿意足了。

範斯騰説道，天文學家們和系外行星的研究目前僅限於：

“首先，目前的系外行星研究並沒有弄清楚適宜居住的最低要求是什麼。雖然有一些標準被提了出來，但是我們不能確定它們是否充分或者必要。其次，即使是有了這些標準，受限於探測的困難，目前的觀測技術並不能證實是否宜居。”

鑑於地球是目前已知的唯一能維持生命的行星，研究團隊認為對地球的遙遠觀測能夠代表在遠距離觀測一個宜居行星的智慧種族得到的結果。範斯騰認為，地球是我們已知的唯一存在生命的行星，研究一下地球在遙遠的觀測者眼中的樣子能指導我們尋找可能的宜居行星。

在海爾望遠鏡(Hale telescope)的1.5米口徑組件上使用渦狀日冕儀直接拍攝得到的HR8799附近的系外行星

Credit: NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory

地球氣候中最重要的，同時也是對於地表生物必不可少的就是水循環。水循環有三個階段：大氣中的水蒸氣，由液態水和冰晶組成的雲和地表的水體。

因此，對於遙遠的行星，這些可以作為判斷它是否宜居的標準，甚至能告訴我們那裏是否有生命存在。因此，成功地辨認出系外行星上的這些地表特徵和雲就成為尋找宜居星球的關鍵。

為了弄清楚在遠處的觀測者眼中地球的形象，研究團隊疊加了9740張由NASA的DSCOVR(深空氣候觀測站，Deep Space Climate Observatory)衞星拍攝的圖片。這些圖片是在2016和2017年拍攝的，相鄰兩張的拍攝時間間隔為68~110分鐘，它們捕捉到了被地球大氣層反射的不同波長的光。

接着，範斯騰和他的同事用這些圖片得到了一張隨時間變化的十通道反射光譜，之後再對晝半球表面進行積分。這樣就能夠很好地再現遙遠的觀測者對地球觀測兩年後得到的結論。

利用加州理工學院發明的一種方法能夠更好地辨別地表特徵

Credit: IAU/L. Calçada

“我們發現地球光變曲線的第二主成分與晝半球的陸地佔比呈現強相關（擬合後決定係數R2=0.91）”，範斯騰説道，“再結合可見的幾何結構，地圖的重構就變成了簡單的線性迴歸問題。”

在分析了結果曲線並與原始圖片進行對比後，研究團隊發現了曲線中與陸地佔比和雲量相對應的參量。然後，他們將與陸地最相關的參量進行校準，使之符合地球的24小時自轉，這樣就能得到一張反映在光年以外觀測地球看到的光變曲線等高圖。

研究團隊繪製的地球光變曲線等高圖

Credit：Siteng Fan et al. Earth as an Exoplanet: A Two-dimensional Alien Map.2019

圖中黑線代表地表特徵，大致與主要大陸的海岸線重合。圖中綠色代表了非洲（中部）、亞洲（右上）、南北美洲（左部）和南極洲（底部），其他部分代表了海洋，較淺部分用紅色表示，較深部分用藍色表示。

當把這些特徵運用到系外行星的光變曲線上時，天文學家們就能知道它是否有海洋、雲和冰蓋——這些都是“類地球”行星的必要條件。正如範斯騰總結得到的：

“對於地球光變曲線的研究給我們研究系外行星的地貌和氣候系統帶來了啓示。我們發現地球光變曲線的變化是由雲和陸地/海洋比主導的，這些對於地球上的生命來説都十分重要。因此，擁有這種特徵的類地行星更有可能有生命存在。”

類地行星

Credit: JPL

在不久的將來，新一代儀器的服役，比如詹姆斯·韋伯望遠鏡(James Webb Space Telescope)以及地基望遠鏡的使用，比如極大望遠鏡(Extremely Large Telescope)、三十米望遠鏡(Thirty Meter Telescope)、巨型麥哲倫望遠鏡(Giant Magellan Telescope)，都有望實現對小型巖態行星的直接觀測。

再加上對地表特徵和大氣條件的研究，天文學家們最終就能自信地宣佈哪些系外行星是宜居的，哪些是不宜居的了。幸運的話，地球2.0（們）就在眼前了！

閲讀論文：https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1908/1908.04350.pdf

『天文時刻』 牧夫出品

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可能有居住條件的開普勒186F行星藝術圖

Illustration Credit: NASA Ames / SETI Institute / JPL-Caltech, Discovery: Elisa V. Quintana, et al.