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：

韦伯望远镜在周边的行星系统中发现了水

韦伯望远镜在周边的行星系统中发现了水 天文学家检测到附近一颗恒星附近有水蒸气旋转，这表明围绕它形成的行星有一天可能能够支持生命。 这个年轻的行星系统被称为 PDS 70，距离我们 370 光年。其中心的恒星大约有 540 万年的历史，温度比我们的太阳还要低。围绕它旋转的是两颗已知的气态巨行星，研究人员最近确定其中一颗 PDS 70b 可能与正在形成的第三颗“兄弟”行星共享其轨道。 两种不同的气体和尘埃盘（形成恒星和行星所需的成分）围绕着恒星。内盘和外盘之间的间隙长达 50 亿英里（80 亿公里）。气态巨行星位于间隙中，它们围绕恒星运行。 韦伯望远镜的中红外仪器检测到距离恒星不到 1 亿英里（1.6 亿公里）的内盘中水蒸气的特征。天文学家认为，如果 PDS 70 与我们的太阳系类似，那么内盘可能会形成与太阳系类似的小型岩石行星。 在我们的系统中，地球的轨道距太阳 9300 万英里（1.5 亿公里）。 上周在《自然》 杂志上发表了一项。

詹姆斯·韦伯太空望远镜捕捉到行星形成的最后阶段

詹姆斯·韦伯太空望远镜捕捉到行星形成的最后阶段 这幅艺术家的作品展示了位于半人马座（The Centaur）南部活动星系 NGC 3783 中心的超大质量黑洞的周围环境。利用欧洲南方天文台智利帕拉纳尔天文台的甚大望远镜干涉仪进行的新观测不仅揭示了黑洞周围的热尘埃环，还揭示了极区的冷物质风。图片来源：ESO/M. 科恩梅瑟而木星、土星、天王星和海王星则主要含有气体。但科学家们很早就知道，行星形成盘一开始的气体质量是固体质量的 100 倍，这就引出了一个紧迫的问题： 大部分气体何时以及如何离开新生的行星系统？揭开行星盘的秘密亚利桑那大学月球与行星实验室的纳曼-巴加（Naman Bajaj）领导的一项发表在《天文杂志》上的新研究给出了答案。研究小组利用詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）获得了这样一个新生行星系也被称为周星盘的图像，这个行星系正在积极地将气体分散到周围空间。亚利桑那大学月球与行星实验室的二年级博士生巴加说："知道气体何时散去非常重要，因为这能让我们更好地了解气态行星有多少时间来消耗周围环境中的气体。JWST可以帮助我们揭示行星是如何形成的。"行星的形成过程巴加表示，在行星系统形成的早期阶段，行星凝聚在年轻恒星周围的气体和微尘旋转盘中。这些微粒聚集在一起，形成越来越大的块状物，称为行星体。随着时间的推移，这些行星体碰撞并粘连在一起，最终形成行星。形成的行星的类型、大小和位置取决于可用物质的数量及其在星盘中停留的时间。因此，简而言之，行星形成的结果取决于星盘的演化和散布。这一发现的核心是对 T Cha 星的观测，这是一颗年轻的恒星相对于年龄约为 46 亿岁的太阳而言被一个侵蚀的周星盘所包围，其显著特征是巨大的尘埃间隙，横跨约 30 个天文单位（或 au），1 au 是地球与太阳之间的平均距离。巴加和他的研究小组首次拍摄到了盘风的图像，盘风是指气体缓慢离开行星形成盘时的图像。天文学家们利用了望远镜对原子发出的光的敏感性，当高能辐射（例如星光）将一个或多个电子从原子核中剥离时，原子就会发出光。这种现象被称为电离，电离过程中发出的光可以被用作一种化学"指纹"在 T Cha 系统中，可以追踪到两种惰性气体氖和氩。研究小组在论文中写道，这次观测也是首次在行星形成盘中探测到氩的双重电离。Bajaj说："我们图像中的氖特征告诉我们，圆盘风来自远离圆盘的扩展区域。这些风的驱动力可能是高能光子本质上是恒星发出的流光或者是行星形成盘中穿梭的磁场"。恒星影响和不断演变的星盘为了区分这两种影响，由荷兰莱顿大学博士后研究员安德鲁-塞勒克（Andrew Sellek）领导的同一研究小组对恒星光子（即年轻恒星发出的强光）驱动的散布进行了模拟。他们将这些模拟结果与实际观测结果进行了比较，发现高能恒星光子的散布可以解释观测结果，因此不能排除这种可能性。该研究得出结论，每年从 T Cha 星盘散逸的气体量相当于地球上的月球。这些结果将发表在一篇配套论文中，目前正在《天文杂志》上进行审查。虽然在许多其他天体中都探测到了霓虹信号，但直到2007年，LPL的教授伊拉利亚-帕斯库奇（Ilaria Pascucci）利用JWST的前身NASA的斯皮策太空望远镜首次发现了霓虹信号，并很快将其确定为磁盘风的示踪剂之后，人们才知道霓虹信号起源于低质量行星形成的磁盘。这些早期发现改变了研究工作的重点，即了解周星盘的气体散布。帕斯库奇是最新观测项目的首席研究员，也是本文所报道的出版物的合著者之一。帕斯库奇说："我们利用詹姆斯-韦伯太空望远镜发现了空间分辨氖发射，并首次探测到了双电离氩，这可能会成为改变我们对气体如何从行星形成盘中清除的理解的下一步。这些见解将帮助我们更好地了解太阳系的历史和对太阳系的影响。"此外，该研究小组还发现，T Cha 的内盘正在以几十年的极短时间尺度演化；他们发现 JWST 观测到的光谱与 Spitzer 早期探测到的光谱不同。据领导这项正在进行的工作的LPL二年级博士生谢承彦（Chengyan Xie）说，这种不匹配可以用T Cha内部一个不对称的小圆盘来解释，在两次观测之间的短短17年里，这个圆盘失去了一些质量。谢说："与其他研究一样，这也暗示着T Cha的圆盘正处于演化的末期。"我们也许能在有生之年见证T Cha内盘所有尘埃质量的消散。"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：

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：