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大氣層能讓行星轉變成適合居住的世界嗎?

臺北天文館_96
・2015/02/25 ・1778字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 562 ・九年級
相關標籤: 系外行星 (38)

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credit: SKY & TELESCOPE
credit: SKY & TELESCOPE

尋找鄰近地球級行星的最佳場所是在那些最小、最冷的恆星周圍。新研究成果顯示:任何緊依在母恆星旁的系外行星成為適居行星的機會比先前認為的還要大,尤其是那些擁有大氣層的系外行星。

為了找到第二個地球,天文學家們將望遠鏡指向小一些、冷一些的恆星。這些所謂的紅矮星(red dwarf)不僅是銀河系各類恆星中數量最龐大的,而且質量僅有太陽的1/4左右,這使得這些紅矮星的適居區更靠近恆星本身,對恆星的重力擾動比遠一點的行星大,或是能更頻繁地從恆星前方通過,從而讓天文學家能更易偵測到這些適居行星。

離昏暗恆星夠近的適居系外行星縱使比較容易偵測,但它們也會碰到個難解的問題:會被恆星潮汐鎖定!就像月球一直以同一面面對地球一樣,紅矮星也只能一直看到這顆行星的同一面。如此一來,面對恆星的那一面一直處在白晝,另一面則一直在夜晚,這可能使大氣和行星表面的化學交換不穩定,或甚至在即端狀況下可導致大氣層崩潰。簡單來說,被潮汐鎖定的行星很可能是不適合居住的。

然而,根據多倫多大學(University of Toronto)與法國拉普拉斯研究所(Pierre Simon Laplace Institute)研究員Jérémy Leconte等人建立了一個3D氣候模型,嘗試瞭解行星大氣對自轉速度的影響。結果顯示:大氣效應可能強到足以中斷潮汐鎖定狀態,允許行星自由自轉而有像地球一樣的晝夜循環。

這其中最重要的關鍵就是行星大氣能允許多少比例的陽光穿透至行星表面。行星表面任何溫度差異,如晝夜溫差,或赤道與兩極的溫差,都會引起風。這些風會因長期遭遇山脈或在海洋製造波浪而推動行星,這些方式產生的摩擦力會影響行星的自轉速率,讓行星自轉加快,也可能讓自轉變慢。

當重力潮汐作用(gravitational tide)和相關的力矩驅使行星逐漸走向被潮汐鎖定時,恆星加熱行星大氣所產生的熱潮汐作用(thermal tide)卻與重力潮汐對抗,防止行星被潮汐鎖定。

天文學家其實已在金星上看到熱潮汐效應,金星大氣的影響力非常強,致使金星被強迫從同步自轉(synchronous rotation)轉變成緩慢的逆向自轉(retrograde rotation,與太陽自轉方向相反);如果金星上有金星人,那他將看到太陽從西方升起,從東方落下,和地球相反。但金星的大氣密度是地球的90倍左右,行星科學家們不認為像地球樣比較稀薄的大氣層能有效地造成如金星大氣一般的效果。

Leconte等人模擬的結果卻顯示:薄一點的大氣層事實上對行星自轉的影響力更大一些。因為稍薄的大氣層對陽光的散射也比較少,這些額外的熱能能抵達更深層的大氣層,製造出更強勁的風。如果金星大氣如同地球大氣一般,則金星自轉速度將比現在還快10倍左右,與先前研究認為金星自轉速度應比現在還慢50倍的結論迥異。

未潮汐鎖定的行星,其大氣混合較劇烈,使得溫度較為穩定,從而讓大氣穩定度增加,如此一來,對適合生命發展的條件而言,除了類似地球的質量、含有水等之外,這些行星又多了一個適當大氣層的優勢。

此外,大氣層的存在還可避免某些潮汐鎖定行星可能會有的問題,例如:冷阱現象(cold trap)。被潮汐鎖定的行星,面對母恆星的白晝一側的液態水會逐漸蒸發,並會隨因溫度梯度而引的的風傳輸到背對母恆星的暗夜一側,然後凝結成雪花落往地表,形成大規模的冰原(ice sheet)。既然行星背面始終見不到恆星,那麼冰原便可永久存在而不消失,甚至可能到最後這個行星上所有的液態水都因此而移動到暗夜一側的行星背面,讓生命無法在此行星上立足。

雖然這些學者指出有許多已知的系外行星都擁有晝夜循環,讓它們擁有適合生命居住的潛能,然而有些行星的晝夜循環,也就是「一天」的長度,從數星期到數個月不等,使得它們環繞恆星公轉一周的「一年」中,可能只有短短數天而已,像這樣的系外行星仍然與地球差異甚大。

不過,上述說法也都是電腦模擬的「理論」結果,仍然需要真正的觀測證據支持,是以這些學者希望能盡快取得觀測證據。天文學家可以利用系外行星從其母恆星後方通過的過程中來測定系外行星的溫度,可是對地球級大小的系外行星而言並不容易獲得測量結果。Leconte等人將希望寄託在預定於2018年發射的韋伯太空望遠鏡( James Webb Space Telescope),要不然預定在2024年才開光的歐洲極大望遠鏡(European Extremely Large Telescope)是他們的另一個希望所在。

本文轉載自網路天文館

 

資料來源:

  1.  Do Atmospheres Spin Worlds to Habitability?  SKY & TELESCOPE [January 22, 2015]
  2.  Jérémy Leconte et al. “Asynchronous Rotation of Earth-mass Planets in the Habitable Zone of Lower-mass Stars.” Science. Published online January 15, 2015.

 

 

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如何運用 Google AI的機器學習,發現新的系外行星 Kepler-90i ?
PanSci_96
・2017/12/19 ・1966字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 476 ・五年級

  • 作者| Chris Shallue,Google人工智慧研究員 / Andrew Vanderburg,德州大學奧斯汀分校天文學家

幾千年來,人們仰望星星,記錄、觀察天文現象,並從中發現其運行模式。第一批天文學家所認定的天體是行星,由於行星在夜空中看似不規則的移動,因此也被希臘人稱之為「planētai」或「漫遊者 (wanderers)」。經過幾個世紀以來的研究,人們已經了解太陽系的運行模式,是地球和其他行星圍繞著太陽公轉,而太陽是一個恆星,就如同我們肉眼所看見會發光的星星一樣。

Image credit: NASA

如今,在望遠鏡光學(telescope optics)、太空飛行、數位相機和電腦等技術的幫助下,我們得以將對宇宙的了解擴展到太陽系之外,偵測並探究其他恆星周圍的行星。這些圍繞在其他恆星周圍的行星也稱之為「系外行星(exoplanet)」,而研究系外行星能幫助我們更深入探索宇宙與人類的奧秘。太陽系之外的宇宙是什麼樣子呢?外太空還有像太陽系一樣的其他行星恆星嗎?

雖然技術的進步有助於我們探索宇宙,但尋找系外行星仍不容易。與火熱的恆星相比,系外行星是冷的、小的、沒有光亮的,這就像要從幾千英里的地方,看見探照燈旁邊飛來的螢火蟲一樣困難。

不過藉助機器學習(Machine Learning),我們在最近有了一些新的進展。

克卜勒任務與 Google AI 的相遇

天文學家搜尋系外行星的方式,其中一個是分析來自NASA 克卜勒任務(Kepler Mission)中的大量資料數據,並透過自動化軟體和手動方式來執行。克卜勒任務用了四年的時間觀察近20萬顆恆星,每30分鐘拍一次照片,並創造了近140億個資料點。這140億個資料點相當於大約2千兆個可能的行星軌道。這個龐大的資料量即使用最強大的電腦來分析也是非常耗時、費力的。為了讓這個分析的過程可以更有效率,我們導入機器學習來加速分析時程。

圖/Google台灣

凌星法是指,當一顆運行中的行星擋住了恆星的光線時,恆星的亮度會減小。我們以此概念為基礎,將其特徵訊號用來辨識周圍運行的行星,並運用克卜勒天文望遠鏡,在四年之間觀察並分析了20萬顆恆星的亮度。

機器學習能夠訓練電腦認識運作模式,而這對於分析大量數據來說尤其有用。機器學習技術的重點在於讓電腦從範例中學習,而不是透過編寫特定的規則。

我是Google人工智慧團隊的機器學習研究員,對於宇宙的世界相當感興趣。因此,我善用「20%計畫」(在Google,你可以利用20%的時間來做你喜歡或感興趣的事情)來開始執行這個專案。我和德州大學奧斯汀分校的天文學家 Andrew 接洽,共同執行這個專案。我們將機器學習技術應用在宇宙探索,並教導機器學習系統如何識別遙遠恆星周圍的行星。

我們利用超過 15,000 個被標記的克卜勒訊號,創造一個 TensorFlow 模組來辨別行星與非行星。為此,這個模型必須能辨認出真正的行星所形成的圖像,與其他天體如 星斑(starspots)雙星(binary stars)所形成的圖像。當我們讓 TensorFlow 模組辨識從未見過的訊號時,它能以96%的準確率辨認出哪些訊號是行星,哪些是非行星。因此,我們知道這個模組成功了!

克卜勒90i,發現!

有了可行的模組後,我們拍攝恆星,並利用這個模組在克卜勒數據中尋找新的行星。為了縮小搜尋範圍,我們研究了 670個已知可容納兩顆或更多的系外行星的恆星。在這樣的過程中,我們發現兩顆新行星:克卜勒80g 和克卜勒90i。其中值得注意的是,克卜勒90i 是第八個被發現圍繞著克卜勒90的行星,這使它成為除了太陽系之外,第一個已知的八大行星系統。

圖/Google台灣

我們利用15,000個被標示的克卜勒訊號,來訓練機器學習模組去辨認行星訊號,並利用這個模組,從670顆恆星的數據中發現新的行星,且成功發現了兩個先前被忽略的行星。

另外也發現了一些有趣的事:這個行星比地球大了30%;擁有大約華氏800度的地表溫度,絕對不是你下一趟旅行的好選擇;它以14天的週期繞著恆星公轉,這代表你每兩個星期就會過一次生日喔。

圖/Google台灣

克卜勒 90是太陽系以外第一個已知的八大行星系統。在這個星系中,行星運行的軌道更靠近恆星,而克卜勒90i每14天公轉一次。(請注意,行星的大小,以及行星與恆星的距離不在測量範圍內。)

當我們運用科技來嘗試了解宇宙時,會以為已經可以一窺一二,但其實不然。目前為止,我們只用TensorFlow 模組搜尋了20萬個恆星當中的670個,而克卜勒的數據中可能還有更多系外行星尚未被發現,未來機器學習的新思維和技術將能幫助人類進行宇宙探索,發現更多未知的領域!

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NASA湊齊七龍珠:TRAPPIST-1星系有七顆與地球大小相近的系外行星
PanSci_96
・2017/02/23 ・2032字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

TRAPPIST-1 星系中,其中一顆代號 TRAPPIST-1f 的星球表面模擬圖。科學家利用史匹哲太空望遠鏡和地面上的天文望遠鏡發現了 TRAPPIST-1 星系中有七顆近似地球大小的星球。

文 / 泛科學編輯部(據說是 j 編、k 編、v 編、y 編合寫的)

美國太空總署的「史匹哲太空望遠鏡」(Spitzer Space Telescope)發現了人類首知、第一個由七顆近似地球大小的行星環繞著一顆恆星的星系(TRAPPIST-1)。目前七顆行星中有三顆被確信位於「適居帶」,也就是與恆星的距離適中,而且很可能有液態水。(延伸閱讀:科學家是怎麼找系外行星的?

這是人類首次在太陽系外發現一個星系同時擁有這麼多顆位於適居帶的星球。這個星系中的七顆星球都很可能有著人類生存所必要的液態水和適宜的大氣層,其中又以在適居帶內的三顆星球機會最高。

任職於 NASA 科學任務理事會(Science Mission Directorate)的朱伯肯(Thomas Zurbuchen)說,這是一個非常有意義的發現,我們獲得了回答「宇宙中是否有其他生物」這個重大科學問題的一大線索;一次找到這麼多顆在適居帶的星球讓我們朝問題的解答往前邁進了值得紀念的一大步。

「TRAPPIST-1」星系位在水瓶座,離我們不算很遠,如果你能飛的跟光一樣快,從地球出發大概 40 年(約 378 兆公里)就能抵達這群系外行星囉。

TRAPPIST-1 星系的名字來自於位在智利的 TRAPPIST 望遠鏡。2016 年 5 月, TRAPPIST 望遠鏡的研究員就發現這個星系中的三顆行星。在其他地面大型望遠鏡的幫助下,史匹哲望遠鏡不只確認其中兩顆的存在,還發現了其他五個,讓星系家族的行星成員一口氣增長到七個。研究結果發表在今(2017)年 2 月 22 日的期刊《自然》(Nature)。

美國時間 2017 年 2 月 23 日刊登在《自然》(Nature)期刊的封面,七顆近似地球大小的行星環繞著紅矮星 TRAPPIST-1 。圖/NASA

根據史匹哲太空望遠鏡的觀測資料,研究團隊準確量出這七顆行星的尺寸,並初步推算其中六顆的質量和密度。研究員根據密度推測這群行星都是岩石硬漢,但還需要進一步觀察它們是否有豐富的水?地表有沒有液態水?而最遠,也是唯一沒被推測出質量的第七顆行星則可能是冰球。

研究報告的主要作者,比利時烈日大學 TRAPPIST 系外研究團隊的主研究員吉倫(Michael Gillon)解釋,這是我們首次發現七顆類似地球大小的行星,又繞著此等規模恆星轉的星系,「這也是有史以來研究規模近似地球的潛在移居星球的最好材料!」

根據觀測資料(星球的大小、質量、軌道距離)所繪製而成的示意圖,顯示 TRAPPIST-1 星系中每顆行星的大小比例還有與恆星之間的相對位置。

與太陽不同的是,TRAPPIST-1 星系的恆星是一顆極低溫紅矮星(ultra-cool dwarf),亮度比太陽還暗兩千倍,即便行星們離恆星很近,仍有可能保有液態水。TRAPPIST-1 星系的七顆行星的軌道離恆星的距離,比太陽系中水星與太陽的距離還要近。甚至這七顆行星間的距離也非常靠近,NASA 指出如果一個人站在其中一顆行星上,他們可能可以看到鄰近的另一顆行星上的地貌或雲。

不過這些行星可能被母恆星潮汐鎖定(Tidal locking),像月球一樣只有一面固定面向恆星,所以會造成行星上有一半是永晝、一半是永夜的狀態。而 NASA 推測這個現象,行星上的氣候會與地球完全不同,例如會出現強風不斷從永晝面吹向永夜面,或是極端溫度變化等。

史匹哲太空望遠鏡於 2016 年秋季連續 500 小時持續觀測 TRAPPIST-1 星系。科學家藉由探測 TRAPPIST-1 恆星發出的紅外線,以及行星從恆星前經過的動態,藉此分析 TRAPPIST-1 星系的結構。

這張海報是人類利用太空旅行前往 TRAPPIST-1e 星球的想像圖。圖/NASA

2016 年 5 月哈伯團隊也觀察了 TRAPPIST-1 星系最內側的兩顆行星,並沒有發現它們有蓬鬆大氣的證據,更加強了這些行星的本質很有可能是岩石。哈伯研究的共同主持人、巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所天文學家尼科爾.路易斯(Nikole Lewis)說:「TRAPPIST-1 星系提供了很好的機會,讓科學家能在接下來的十年中去研究地球尺寸行星的大氣。」

另外,NASA 尋找系外行星的行星獵人計畫中,克卜勒太空望遠鏡也正在研究 TRAPPIST-1 系統,藉由測量恆星由於行星經過時的亮度微小的變化,觀察其凌星現象。

那這就是追尋系外行星的最高峰了嗎?

之前也有眾多的系外行星被點名為「地球 2.0」,在適居帶的系外行星其實也多不勝數(延伸閱讀:Kepler-452b 真的是「地球2.0」?),而這次的發現雖然是「人類首知、第一個由七顆近似地球大小的行星環繞著一顆恆星的星系」,這或許讓我們對於移民、外星生命、藉此探索地球和生命的起源……等眾多地想像又前進了一步;但只要追尋系外行星的計畫仍在持續進行(2018 年還會有更高性能,可以檢測水、甲烷、氧氣、臭氧和其他大氣組成份,還能分析行星溫度以及表面壓力的 Webb 太空望遠鏡加入戰場喔!),這樣令人興奮的發現就不會停止!

資料來源

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適居系外行星,原來我們這麼近?
Whyjay
・2016/08/26 ・2517字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

「我們終於找到宇宙旅行的第一個驛站了?」

藝術家筆下的 Proxima b 正繞著遠方的比鄰星運行,更遠處兩顆較亮的星為半人馬座 α 星 A 與 B,這兩顆星與比鄰星組成三合星系統。Credit: ESO/M. Kornmesser
藝術家筆下的 Proxima b 正繞著遠方的比鄰星運行,更遠處兩顆較亮的星為半人馬座 α 星 A 與 B,這兩顆星與比鄰星組成三合星系統。圖/ESO/M. Kornmesser

半人馬座的比鄰星(Proxima Centauri),是距離太陽最近的恆星,僅有 4.2 光年遠。最新的觀測結果顯示,這顆恆星也具有一顆行星,而且它的表面溫度可能容許液態水存在。這項發現登於 2016 年 8 月 24 日的《自然》(Nature) 期刊上 [1]。

由倫敦瑪麗王后大學的 Guillem Anglada-Escudé 領軍主導的研究團隊,在今年年初使用歐洲南天天文台(The European Southern Observatory, ESO)轄下,位於智利拉西拉天文台的 3.6 米望遠鏡,連續針對比鄰星進行數個月的觀測。這台望遠鏡具有搜尋系外型星的利器──高精度徑向速度行星搜索器(HARPS),可以藉由偵測極微小的光譜都卜勒平移,算出恆星受到行星重力影響後,在觀測方向產生的來回擺動程度。這些新的觀測結果與前幾年針對相同天體所做的觀測交互分析後,發現比鄰星的徑向速度呈現了 11.2 天的週期性變化,而這種週期性變化,極有可能是一顆公轉週期同樣為 11.2 天的行星造成。

雖然在 2012 年,就有研究指出南門二的三合星系統(比鄰星是系統中的其中一顆)的另外一顆恆星具有一顆地球大小的系外行星 [2],不過可惜的是後來分析指出很可能是空歡喜一場 [3]。但這次的徑向速度觀測結果卻紮實得多,許多後續的研究,像是凌日法觀測等等,將會取得更多有關此行星的情報。

溫暖的行星鄰居

目前這顆很有可能存在的行星被稱為「比鄰星 b」(Proxima b)。如果它真的存在,將很有可能會是離太陽系最近的一顆系外行星。

藉由觀測結果,還可以得知許多有趣的資訊:這個行星的質量至少是地球的 1.3 倍,但不至於太大,以致它不太可能是一顆像木星一般的大氣體球。行星上的一年只有短短的 11.2 天,這也表示它與比鄰星的距離要比地球到太陽的距離近多了,只有 0.0485 天文單位而已。不過,由於比鄰星本身是顆紅矮星,散發出來的光能也比太陽少得多,就算靠得如此之近,比鄰星 b 也不會吸收太多熱能。計算顯示,比鄰星 b 的黑體平衡溫度大概落在攝氏 -40 度左右,如再加上大氣層與適當的溫室效應,行星的表面可望落在液態水能夠存在的溫壓範圍內。對於外星科幻作品的粉絲來說,這實在是個天大的好消息:離我們最近的恆星有個行星,而且那個行星非常適合生命的發展與繁衍!

連計畫主持人 Guillem Anglada-Escudé 都不禁說出:「我們要來動真格的尋找外星生命」[4] 了。

外星生命適合居住嗎?

不過,比鄰星 b 與地球的相似之處,恐怕也僅止於質量與表面溫度而已。如前所述,比鄰星 b 的母恆星是顆 M 型星,質量小、光度弱但壽命很長,行星上的生命誕生與繁衍機會的確比較高;比鄰星 b 離母恆星很近,雖然可以獲得足夠的能量讓水保持液態,但同時也會面對另一個麻煩的威脅,也就是從母恆星發射出的閃焰與其他種類的物質噴射。如果比鄰星 b 的自身磁場強度不足,抵抗不了這些高能的游離粒子,那麼這些物質對比鄰星 b 上居住的生物(如果有的話?)來說,就像是「大規模毀滅性武器」一樣,除了對生命體造成損傷外,對大氣層的影響也是個未知數 [5]。

另外,由於比鄰星 b 真的離恆星很近,它非常有可能受到恆星的強力潮汐作用影響,導致同步自轉的結果,就像是月球總以一面對著地球,這顆行星很有可能有一面永遠是炙熱的白晝,另一面卻是永不見天日的黑暗。你認為這樣子的星球上可能會有生命嗎?或許吧,或許他們可能躲在某處晨昏圈的底下(水下?)某處,躲避著比鄰星無情的閃焰摧殘呢。

想過去看看嗎?抱歉,雖然比鄰星真的離太陽很近,「才」4.2 光年,但就算是你搭上了有史以來離開太陽系速度最快的太空船航海家一號,也要 7 萬多年才到得了。在短期之內,這顆地球的鄰居或許還不是野外旅行的最佳去處。

藝術家筆下的 Proxima b 表面情景想像圖。雖然 Proxima b 位於適居帶內,但其表面有沒有水與大氣?環境適不適合生命演化?這些目前都還是尚未探索的謎題。Credit: ESO/M. Kornmesser
藝術家筆下的 Proxima b 表面情景想像圖。雖然 Proxima b 位於適居帶內,但其表面有沒有水與大氣?環境適不適合生命演化?這些目前都還是尚未探索的謎題。圖/ESO/M. Kornmesser

宇宙探險的新紀元

自從人類發現第一顆系外行星「飛馬座 51 b」以來,也才不過 21 年的歲月 [6]。如今,系外行星列表已經洋洋灑灑超過了 3000 顆,而且還在以驚人的速度增長。猶記去年發現的 Kepler-452b [7],它與比鄰星 b 同樣位於適居帶(在恆星周圍內,液態水能夠存在於行星表面的區域)內,而且在許多方面與地球非常相似,被許多人冠上一個特別的外號「地球 2.0」。可惜的是它實在有點遠,1400 光年的距離可不是像比鄰星 b 一樣開個幾萬年太空船就可以抵達的。

比鄰星 b 的出現,除了告訴我們「外星生命很有可能近在眼前」之外,更令人振奮的是它真的給了我們宇宙旅行的希望。「想去 4.2 光年遠的星球觀賞紅色的太陽?」或許這是幾百年後的旅行團標語也不一定。

搜尋系外生命與星際探險的宇宙夢,如今才正要開始。

參考文獻

參考資料與延伸閱讀

Whyjay
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透過我的眼睛、鏡頭的眼睛、還有衛星的眼睛看世界的地球科學研究者。期望與你分享冰川下封存的秘密或是火山上隱藏的故事;夜晚,我們更可以遙望皎潔的明月,更遠的木星與冰衛星,甚至更遠更遠──某顆系外行星上的生命,或許也正拿望遠鏡看著我們討論人類最終的歸宿。推特:https://twitter.com/WhyjayZ (英文)