韦伯太空望远镜正在积极探索小型的、可能适合居住的系外行星

韦伯太空望远镜正在积极探索小型的、可能适合居住的系外行星 系外行星在我们的银河系中很常见，有些甚至在恒星的所谓宜居带中运行。美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）一直忙于观测其中几颗可能适宜居住的小行星，天文学家们现在正在努力分析韦伯的数据。美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的两位韦伯项目科学家克尼科尔-科隆（Knicole Colón）博士和克里斯托弗-斯塔克（Christopher Stark）博士在这里为我们详细介绍研究这些其他世界所面临的挑战：定义潜在宜居行星"潜在宜居行星通常被定义为大小与地球相近、运行在恒星'宜居带'内的行星。我们目前知道大约有30颗行星可能是像地球一样的小型岩石行星，它们的轨道位于宜居带。然而，并不能保证在宜居带中运行的行星确实是宜居的（它可以支持生命），更不用说有人居住了（它目前支持生命）。在撰写本文时，已知的宜居和有人居住的行星只有一个地球！"这张信息图比较了银河系中三类恒星的特征：类似太阳的恒星被归类为G星；质量比太阳小、温度比太阳低的恒星是K矮星；而更暗、温度更低的恒星是偏红色的M矮星。每一类恒星的宜居带大小都不同。在太阳系中，宜居带从金星轨道外开始，几乎包括火星。资料来源：NASA、ESA 和 Z. Levy（STScI）观测系外行星大气层的挑战韦伯望远镜正在观测的潜在宜居世界都是凌日系外行星，这意味着它们的轨道几乎是边缘朝上的，因此它们会从宿主恒星的前方穿过。当行星从恒星前方经过时，韦伯就会利用这个方位进行透射光谱分析。通过这个方位，我们可以检查行星大气过滤后的星光，从而了解它们的化学成分。然而，小型岩质行星稀薄的大气层阻挡的星光量非常小，通常远小于 0.02%。仅仅探测这些小星球周围的大气层就非常具有挑战性。识别水蒸气的存在则更加困难，而水蒸气的存在可能会增加宜居的可能性。寻找生物特征（生物产生的气体）异常困难，但也是一项令人兴奋的工作。当系外行星直接从其宿主恒星和观测者之间穿过时，我们说这颗行星正在其宿主恒星前凌日。这次凌日会使恒星的光线变暗一定程度，如果系外行星有大气层的话，星光也会被大气层过滤掉。该动画展示了一颗行星以及在凌日过程中光照度的相应变化。资料来源：美国宇航局喷气推进实验室目前只有少数几个可能适合居住的小世界被认为可以通过韦伯天体进行大气表征，其中包括LHS 1140 b和TRAPPIST-1 e行星。检测生物特征的技术挑战最近的一些理论工作探索了超地球大小的行星LHS 1140 b大气层中气态分子的可探测性，凸显了在搜索生物特征方面的一些挑战。这项工作指出，在大气层清晰、无云的最佳情况下，该行星需要绕其主恒星运行大约 10-50 次，相当于韦伯望远镜 40-200 小时的观测时间，才能探测到潜在的生物特征，如氨、磷化氢、氯甲烷和氧化亚氮。类地行星大气层的模拟透射光谱显示了臭氧（O3）、水（H2O）、二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）等分子吸收的太阳光波长。(请注意，在这张图上，Y 轴显示的是被类地行星大气层遮挡的光量，而不是穿过大气层的阳光亮度：亮度从下往上递减）。来自 Lisa Kaltenegger 和 Zifan Lin 2021 ApJL 909 的模型透射光谱。资料来源：NASA、ESA、Leah Hustak（STScI）系外行星观测时间表的复杂性如果行星的大气层是多云的，那么寻找生物特征可能需要比 50 次凌日观测更多的时间。众所周知，大多数小型系外行星都有云层或雾霾，这些云层或雾霾会减弱或掩盖正在搜索的信号。这些生物特征气体的大气信号也往往与其他预期的大气信号（如气态甲烷或二氧化碳）重叠，因此区分各种信号是另一项挑战。海洋行星：研究的新途径寻找生物特征的一个潜在途径是研究大洋行星，大洋行星是理论上的一类超地球大小的行星，具有相对稀薄的富氢大气层和大量的液态水海洋。根据韦伯天文台和其他天文台目前提供的数据，超级地球K2-18 b是潜在宜居大洋行星的候选者。最近发表的工作利用近红外探测器和近红外ISS探测到了K2-18 b大气中的甲烷和二氧化碳，但没有探测到水。这意味着K2-18 b是一个拥有液态水海洋的海洋世界的说法仍然是基于理论模型，还没有直接的观测证据。这项工作的作者还暗示，K2-18 b 的大气中可能存在潜在的生物特征二甲基硫醚，但潜在的二甲基硫醚信号太弱，目前的数据还无法对其进行确凿的探测。艺术家构想的詹姆斯-韦伯太空望远镜。图片来源：NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez海洋类行星的概念和研究都是非常新的，因此对液态水海洋情景（从而对宜居环境的潜力）的其他解释仍在探索之中。即将使用近红外天文望远镜和近红外成像仪进行的韦伯观测，将进一步揭示潜在的大洋行星K2-18 b的性质，以及其大气层中可能存在的二甲基硫化物。因此，我们还面临着一个新的挑战，那就是确定韦伯探测到的水蒸气是否真的来自行星的大气层，而不是其恒星。结论：系外行星研究的未来探测绕冷恒星运行的小型、可能适合居住的凌日行星大气中的生物特征是一项极具挑战性的工作，通常需要理想的条件（如无云大气）或假设早期地球环境（即与我们所知的现代地球不同），探测到的信号明显小于百万分之200，恒星运行良好，星斑中没有大量水蒸气，以及大量的望远镜时间才能达到足够的信噪比。同样重要的是要记住，以任何方式探测到单一生物特征都不构成发现生命。要在系外行星上发现生命，可能需要一大批明确检测到的生物特征、来自多个飞行任务和观测站的数据，以及广泛的大气建模工作，这一过程可能需要数年时间。韦伯的强大之处在于，它能够灵敏地探测到少数最有希望围绕冷恒星运行的潜在宜居行星的大气层，并开始确定其特征。韦伯特别有能力探测一系列对生命非常重要的分子，如水蒸气、甲烷和二氧化碳。我们的目标是尽可能多地了解可能适宜居住的世界，即使我们无法通过韦伯望远镜明确确定适宜居住的特征。韦伯观测结果与美国宇航局即将发射的南希-格雷斯-罗曼太空望远镜的系外行星研究相结合，最终将为未来的 宜居世界天文台奠定基础，该天文台将是美国宇航局首个专门用于直接成像和搜寻类太阳恒星周围类地行星上生命造成的化学痕迹的任务"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

下一代望远镜可以通过仔细观察附近系外行星的大气层来寻找地外生命

下一代望远镜可以通过仔细观察附近系外行星的大气层来寻找地外生命 研究发现，对于这对邻近世界比邻星 b和GJ 887 b，这些望远镜非常善于探测潜在生物特征的存在。研究结果表明，只有比邻半人马座b存在二氧化碳时，这些机器才能探测到。虽然目前还没有发现任何系外行星与地球早期的生命条件完全吻合，但这项工作表明，如果对这些独特的超级地球比地球质量大但比海王星小的行星进行更详细的研究，它们可能会成为未来研究任务的合适目标。为了进一步寻找宜居行星，该研究的第一作者、俄亥俄州立大学天文学大四学生张惠浩和他的同事们还试图确定詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）等专业成像仪器以及欧洲极大型望远镜、三十米望远镜和巨型麦哲伦望远镜等其他极大型望远镜（ELT）直接成像系外行星的效果。张说："并不是每颗行星都适合直接成像，但这就是为什么模拟能让我们大致了解ELT会带来什么结果，以及它们建成后要实现的承诺。"为系外行星成像的直接方法是使用日冕仪或星荫遮挡主恒星的光线，使科学家能够捕捉到轨道上新世界的模糊图像。但是，由于用这种方法确定系外行星的位置既困难又耗时，研究人员希望了解 ELT 望远镜在应对这一挑战时的表现。为此，他们测试了每台望远镜的仪器在检测生物特征时将普遍背景噪声与他们想要捕捉的行星噪声区分开来的能力；这种能力被称为信噪比，信噪比越高，行星的波长就越容易被检测和分析。结果表明，欧洲 ELT 的一台仪器（称为中红外 ELT 成像仪和摄谱仪）的直接成像模式在识别三颗行星（GJ 887 b、比邻星 b 和天狼星 1061 c）是否存在甲烷、二氧化碳和水方面表现较好，而其高角度分辨率整体光学和近红外积分场摄谱仪可以探测到甲烷、二氧化碳、氧气和水，但需要更多的曝光时间。此外，由于这些结论所涉及的仪器必须透过地球大气层的化学迷雾才能窥探到宇宙生命，因此要与JWST目前的外太空能力进行比较。他说："很难说太空望远镜是否比地面望远镜更好，因为它们是不同的。它们有不同的环境、不同的位置，它们的观测也有不同的影响因素。"在这种情况下，研究结果表明，虽然 GJ 887 b 是最适合 ELT 直接成像的目标之一，因为它的位置和大小导致特别高的信噪比，但对于某些凌日行星，如 TRAPPIST-1 系统，JWST 的行星大气研究技术比地球上的 ELT 直接成像更适合探测它们。由于这项研究对数据做了较为保守的假设，未来天文工具的真正功效仍可能令科学家们大吃一惊。这项研究的共同作者、俄亥俄州立大学天文学助理教授王吉（音译）说，撇开性能上的微妙对比不谈，这些强大的技术有助于拓宽我们对宇宙的认识，而且是相辅相成的，这就是为什么像这样评估这些技术局限性的研究是必要的。"模拟的重要性，尤其是对于耗资数十亿美元的任务来说，怎么强调都不为过，"王说。"人们不仅要建造硬件，还要非常努力地模拟性能，为取得那些辉煌的成果做好准备。"很有可能，由于 ELT 要到本世纪末才能完成，研究人员的下一步工作将围绕模拟未来的 ELT 仪器如何很好地调查我们星球上肆虐的生命证据的复杂性展开。"我们想看看我们能在多大程度上对我们的大气层进行细致入微的研究，以及我们能从中提取多少信息，"王说。"因为如果我们不能用地球的大气层回答宜居性问题，那么我们就不可能开始回答其他行星周围的这些问题。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现最有力外星生命证据，K2-18b或为类地海洋行星

科学家发现最有力外星生命证据，K2-18b或为类地海洋行星 天文学家在距离地球124光年的系外行星K2-18b上发现了强烈的生物活动迹象，被认为是迄今最有力的外星生命证据。研究人员通过詹姆斯・韦伯太空望远镜，在其大气层中检测到地球上仅由生物体产生的二甲基硫醚（DMS）和二甲基二硫醚（DMDS）。 K2-18b是一颗围绕红矮星运行、体积为地球8.6倍的富氢“海洋行星”，其环境可能类似地球早期的海洋生态。剑桥大学专家指出，尚无已知的非生物过程能解释这些有机分子的浓度，尽管目前尚不能断言生命确凿存在。

韦伯太空望远镜观测到紫外线"风"侵蚀猎户座星云中的原行星盘

韦伯太空望远镜观测到紫外线"风"侵蚀猎户座星云中的原行星盘 该研究报告首次直接观测到了远紫外线（FUV）驱动的原行星盘光蒸发的证据。这些发现利用了詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的观测数据，为气态巨行星（包括太阳系内的气态巨行星）形成的制约因素提供了新的见解。洞察气态巨行星的形成年轻的低质量恒星周围通常环绕着寿命相对较短的尘埃和气体原行星盘，它们为行星的形成提供了原材料。因此，气态巨行星的形成受到了从原行星盘中去除质量的过程的限制，例如光蒸发。当原行星盘的上层被 X 射线或紫外线质子加热时，气体温度升高，导致气体从系统中逸出，这就是光蒸发。由于大多数低质量恒星都是在同时包含大质量恒星的星团中形成的，因此原行星盘预计会暴露在外部辐射中，并经历紫外线驱动的光汽化。詹姆斯-韦伯太空望远镜的 NIRCam 仪器看到的猎户座星云内部区域。资料来源：NASA、ESA、CSA，数据缩减和分析： PDRs4All ERS 小组；图形处理 S. Fuenmayor来自 JWST 和 ALMA 的观测证据理论模型预测远紫外辐射会产生光解离区（PDRs）在这些区域中，附近大质量恒星投射的紫外线光子会对原行星盘表面的气体化学反应产生强烈影响。然而，对这些过程的直接观测一直难以实现。Olivier Berné及其同事利用JWST和阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）分别进行的近红外和亚毫米波测量，报告了对猎户座星云内部一个被FUV辐照的原行星盘d203-506的观测结果。通过对PDR内部探测到的发射线的运动学和激发进行建模，研究人员发现由于FUV驱动的加热和电离，d203-506的质量正在高速流失。研究结果表明，d203-506的质量损失速度表明，气体可能会在一百万年内从圆盘中移除，从而抑制气态巨行星在该系统内形成的能力。Berné等人写道："对太阳系的动力学和成分研究表明，太阳系是在一个包含一颗或多颗大质量恒星的恒星簇中形成的，因此它可能受到了FUV辐射的影响。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

计划中的"LIFE"太空任务将成为未来寻找地外生命的关键

计划中的"LIFE"太空任务将成为未来寻找地外生命的关键 LIFE 任务的五颗卫星连接成一个大型太空望远镜。资料来源：苏黎世联邦理工学院/LIFE 计划寻找地外生命的探索苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）领导的"生命"（LIFE）国际计划利用由五颗卫星组成的网络，希望有朝一日能在系外行星上探测到生命的踪迹。它的目标是对类地系外行星在大小和温度上与地球相似但围绕其他恒星运行的岩质行星进行更详细的研究。该计划是将五颗较小的卫星放置在靠近詹姆斯-韦伯太空望远镜的太空中。这些卫星将共同组成一个大型望远镜，作为干涉仪接收系外行星的红外热辐射。然后，可以利用光的光谱来推断这些系外行星及其大气层的成分。"我们的目标是在光谱中探测到暗示系外行星上存在生命的化合物，"LIFE 计划的负责人 Sascha Quanz 解释说。在这项刚刚发表在《天体物理学杂志》上的研究中，研究人员让-诺埃尔-梅特勒（Jean-Noël Mettler）、比约恩-S-康拉德（Björn S. Konrad）、萨沙-P-泉茨（Sascha P. Quanz）和拉维特-赫勒德（Ravit Helled）研究了"生命"任务如何能够很好地描述系外行星的宜居性。为此，他们决定把地球当作系外行星，对我们的母星进行观测。这项研究的独特之处在于，研究小组用真实光谱而非模拟光谱测试了未来 LIFE 任务的能力。他们利用NASA的 Aqua 地球观测卫星上的一个大气测量装置提供的数据，生成了地球在中红外范围内的发射光谱，这可能会在未来的系外行星观测中记录下来。该项目的核心是两个考虑因素。首先，如果一架大型太空望远镜从太空观测地球，它将记录下什么样的红外光谱？因为地球将从很远的地方被观测到，它看起来就像一个不起眼的小点，没有海洋或山脉等可识别的特征。这意味着光谱将是空间和时间的平均值，取决于望远镜捕捉到地球的哪些景象以及捕捉时间的长短。由此，物理学家们得出了他们研究的第二个考虑因素：如果对这些平均光谱进行分析，以获取有关地球大气层和地表状况的信息，那么结果将在哪些方面取决于观测几何和季节波动等因素？研究人员考虑了三种观测几何图形来自两极的两个视角和另外一个赤道视角并将重点放在 1 月和 7 月记录的数据上，以考虑最大的季节性变化。如何成功确定宜居行星这项研究的主要发现令人鼓舞：如果像"LIFE"这样的太空望远镜从大约 30 光年的距离观测地球，就会发现温带宜居世界的迹象。研究小组能够从地球大气的红外光谱中探测到大气气体二氧化碳、水、臭氧和甲烷的浓度，以及有利于水出现的地表条件。臭氧和甲烷的证据尤为重要，因为这些气体是由地球生物圈产生的。研究人员表明，这些结果与观测几何形状无关。这是个好消息，因为未来观测类地系外行星的确切观测几何形状很可能是未知的。然而，在比较季节性波动时，结果就不那么有说服力了。Quanz说："即使不容易观测到大气的季节性，我们的研究也表明，下一代太空任务可以评估附近的温带陆地系外行星是否适宜居住，甚至是否有人居住。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

窥探宇宙尘埃：詹姆斯-韦伯望远镜正在寻找新生行星

窥探宇宙尘埃：詹姆斯-韦伯望远镜正在寻找新生行星 这幅艺术家的作品展示了一颗气态巨行星的形成过程，它嵌在一颗年轻恒星周围尘埃环中的尘埃和气体盘中。由密歇根大学天文学家加布里埃尔-库格诺（Gabriele Cugno）领导的密歇根大学的一项研究将詹姆斯-韦伯太空望远镜瞄准了一颗名为 SAO 206462 的原恒星周围的原行星盘，希望能发现一颗正在形成中的气态巨行星。密歇根大学、亚利桑那大学和维多利亚大学领导的三项研究将JWST的图像与哈勃太空望远镜和智利阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）之前的观测结果相结合。在辅助观测的基础上，研究小组利用 JWST 观测了原行星盘 HL Tau、SAO 206462 和 MWC 758，希望能探测到任何可能正在形成的行星。在发表于《天文杂志》（The Astronomical Journal）的这些论文中，研究人员拼凑出了行星形成盘与原行星盘中心年轻恒星周围的气体和尘埃包层之间以前从未见过的相互作用。由麻省理工大学天文学家加布里埃尔-库格诺（Gabriele Cugno）领导的麻省理工大学研究将JWST瞄准了一颗名为SAO 206462的原恒星周围的盘。在那里，研究人员可能发现了一颗正在原行星盘中形成的候选行星但这并不是他们期望发现的行星。"一些模拟结果表明，这颗行星应该在圆盘内，质量大、体积大、温度高、亮度高。但我们没有发现它。这意味着，要么这颗行星比我们想象的要冷得多，要么它可能被某些物质遮挡住了，使我们无法看到它，"库格诺说，他也是这三篇论文的共同作者。"我们发现的是一颗不同的候选行星，但我们无法百分之百确定它是一颗行星，还是一颗模糊的背景恒星或星系污染了我们的图像。未来的观测将帮助我们准确了解我们所看到的是什么"。天文学家过去曾对这个圆盘进行过观测，特别是哈勃太空望远镜、斯巴鲁望远镜、甚大望远镜和 ALMA。这些观测结果表明，圆盘由两个强螺旋组成，很可能是由一颗正在形成的行星发射的。马萨诸塞大学的研究小组预计发现的这颗行星属于气态巨行星，主要由氢和氦组成，类似于太阳系中的木星。两只旋臂从SAO 206462周围富含气体的盘中伸出，SAO 206462是一颗位于豺狼座的年轻恒星。这幅由斯巴鲁望远镜及其 HiCIAO 仪器获取的图像首次显示了环星盘中的螺旋臂。图像追踪了恒星发出并散射在星盘表面的光线。星盘本身的直径约为140亿英里，约为太阳系中冥王星轨道的两倍。图片来源：NAOJ/Subaru库格诺说："问题是，我们要探测的东西比恒星暗淡几十万倍，甚至几百万倍。这就像试图探测灯塔旁边的一个小灯泡一样。"为了更近距离地观察这个圆盘，研究小组使用了 JWST 上的一个名为 NIRCam 的仪器。NIRCam可探测红外光，天文学家利用该仪器采用了一种称为角差分成像的技术。这种技术既可以用来探测行星的热辐射就像研究小组探测候选行星那样，也可以用来探测与落到行星上并高速撞击行星表面的物质有关的特定发射线。库格诺说："当物质落到行星上时，会在表面产生震动，并发出特定波长的发射线。我们使用一组窄带滤光片来探测这种吸积。以前曾在地面上用光学波长进行过这种探测，但这是第一次用 JWST 在红外波段进行探测。"维多利亚大学的这篇论文由天文学学生卡姆林-穆林（Camryn Mullin）领导，描述了年轻恒星HL Tau周围的圆盘图像。"HL Tau 是我们探测器中最年轻的系统，周围仍有密集的尘埃和气体流入星盘，"三项研究的共同作者穆林说："我们对利用 JWST 可以看到周围物质的详细程度感到惊讶，但不幸的是，这掩盖了潜在行星的任何信号。"众所周知，HL Tau 的星盘上有几个太阳系规模的星环和缝隙，可能孕育着行星。"虽然有大量证据表明行星正在形成，但HL Tau太年轻了，有太多的尘埃介入，无法直接看到行星，"寻找正在形成的行星的观测活动的主要研究者、亚利桑那大学斯图尔特天文台的天文学家Jarron Leisenring说。"我们已经开始观测其他有已知行星的年轻系统，以帮助形成更完整的图像。"然而，令研究小组惊讶的是，JWST 揭示了一个不同特征的意想不到的细节：原恒星包膜，据莱森林称，它本质上是年轻恒星周围刚刚开始凝聚的尘埃和气体的密集流入。在引力的作用下，星际介质中的物质向内坠落到恒星和星盘上，成为行星及其前身的原材料。由美国宇航局哈勃/萨根研究员凯文-瓦格纳（Kevin Wagner）领导的亚利桑那大学斯图尔特天文台的研究对MWC 758的原行星盘进行了检查。与 SAO 206462 类似，由亚利桑那大学领导的研究小组之前的观测也发现了在盘中形成的螺旋臂，暗示着有一颗大质量行星围绕着它的主恒星运行。研究人员说，虽然在最近的观测中没有在圆盘中探测到新的行星，但这种灵敏度是开创性的，因为它使他们能够对可疑行星施加最严格的限制。首先，这些结果排除了在 MWC 758 的外部区域存在其他行星的可能性，这与一颗巨行星驱动旋臂的情况是一致的。这三项研究的合著者瓦格纳说："在所有三个系统中都没有探测到行星，这告诉我们，造成缝隙和旋臂的行星要么离它们的宿主恒星太近，要么太暗，无法用JWST观测到。如果后者属实，那就告诉我们它们的质量相对较低、温度较低、被尘埃笼罩，或者是三者的某种组合MWC 758很可能就是这种情况"。捕捉正在形成中的行星非常重要，因为天文学家不仅可以收集到关于行星形成过程的信息，还可以收集到关于化学元素如何在整个行星系统中分布的信息。"像太阳这样的恒星中，只有大约15%拥有像木星这样的行星。了解它们是如何形成和演化的，并完善我们的理论确实非常重要，"三项研究的共同作者、麻省理工大学天文学家迈克尔-迈耶（Michael Meyer）说。"一些天文学家认为，这些气态巨行星调节着向在星盘内部形成的岩质行星输送水的过程。迈耶说，了解气态巨行星是如何塑造这些星盘的，将有助于天文学家最终了解原行星盘的性质和演化过程，这些原行星盘后来产生了岩质类地行星。库格诺说："基本上，在我们以足够高的分辨率和灵敏度观测到的每一个星盘中，我们都能看到大型结构，如间隙、星环，在SAO 206462的情况下，还有螺旋状结构。这些结构中的大部分（如果不是全部的话）都可以用形成中的行星与磁盘物质相互作用来解释，但也存在其他不涉及巨行星存在的解释。"如果我们最终能够看到这些行星，我们就能将其中的一些结构与正在形成的伴星联系起来，并将形成过程与其他系统在更晚阶段的特性联系起来。我们最终可以把这些点联系起来，了解行星和行星系统作为一个整体是如何演化的"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：