詹姆斯·韋伯望遠鏡通過大氣分析能鎖定地外海洋世界

2022年07月21日10:13

  7月21日消息,據國外媒體報導,目前,一項最新發現可使美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡確定地外星球中陸地和海洋的面積比例。

  一項假設地外星球大氣條件的最新模擬實驗,可能有助於詹姆斯·韋伯太空望遠鏡完成深入勘測探索,揭示系外行星是否有能力容納生命的重要線索。這項最新研究表明,任何可能與地球相似的岩石星球,其氣候特徵很大程度上取決於該星球朝向主恒星一側的陸地和海洋面積大小和位置,儘管當前該望遠鏡仍缺乏勘測系外行星表面解像度的能力,但是該發現可以幫助天文學家通過大氣層光譜分析,獲得關於行星表面的相關結論。

圖中是藝術家假設的海洋星球,它擁有類似地球的大氣層條件,並有兩顆衛星環繞運行。
圖中是藝術家假設的海洋星球,它擁有類似地球的大氣層條件,並有兩顆衛星環繞運行。

  該項研究負責人、加拿大多倫多大學物理系研究生伊芙琳·麥克唐納(Evelyn Macdonald)稱,我們的研究表明,類地行星上陸地分佈對其氣候產生很大影響,這將有助於天文學家使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡等儀器觀測地外行星,從而更好地解釋他們所看到的天體特徵。

  伊芙琳和同事使用一種名為ExoPlaSim的氣候模擬技術來模擬陸地和海洋的數量和分佈,進而理解該特徵如何影響潮汐鎖定氣候。

  潮汐鎖定行星是與主恒星保持同步旋轉,這意味著它繞軸旋轉所需時間與繞恒星旋轉所需時間一致,因此,該行星在同速旋轉下,始終有一側朝向主恒星,這與月球始終保持同一側朝向地球的現像是相同的。

  據悉,環繞紅矮星運行的岩石行星特別容易受到潮汐鎖定的影響,因為紅矮星系統通常比較“緊湊”,行星非常接近恒星。儘管它們距離主恒星很近,但這些行星可能處於宜居帶——行星與主恒星保持適當距離從而能表面存在液態水,並且紅矮星表面溫度低,大約3500攝氏度,比太陽低大約2000攝氏度。

  行星環繞恒星運行幾天時間,會使它們更易受到恒星引力鎖定影響,然而,這種所謂的潮汐鎖定並不意味著某顆行星近半球是持續白晝,遠半球是持續夜晚。因此,行星宜居性也取決於它將熱量從晝側重新分配至夜側的能力,這將導致該行星表面不會過熱或者過冷。

  伊芙琳和同事模擬了兩種假設條件行星:一種是亞恒星點(直接朝向恒星)是圓形大陸,被海洋包圍著;另一種是亞恒星點是圓形海洋,被陸地包圍著。之後他們改變每種假設行星條件中陸地和海洋的數量,從而觀察如何影響該行星的氣候特徵。

  這些模型表明,在一個潮汐鎖定的行星,全球平均氣溫更多地取決於陸地面積,而不是陸地的位置,在模擬測試中,擁有日側半球陸地面積較多的行星,無論是中心亞恒星點或者環繞一個亞恒星點海洋,其表面平均溫度上升了大約20攝氏度。

  此外,陸地面積越大,恒星照射的面積就越大,該行星大氣層將高溫乾燥,這是因為更多陸地的存在意味著蒸發至大氣層的地表水分更少,這也導致降水量更少。伊芙琳說:“所以該情況下這片陸地極有可能是沙漠氣候,總體而言,全球表面溫度最高、大氣水蒸汽最多的行星,其海洋位於晝側中心,並位於該行星表面溫度較低區域。”

  逐漸增加的大氣水蒸汽將導致更多雲層形成,因為水蒸汽是一種溫室氣體,它使大氣層更具吸收熱量的能力,並將熱量輸送到行星另一側半球。由於詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的科學目標之一是分析鄰近類地系外行星的大氣層特徵,並試圖確定它們是否適宜生命存活,這項最新研究將有助於韋伯太空望遠鏡進一步勘測此類行星,並揭曉我們它們是乾燥的荒漠,還是擁有陸地和海洋的宜居世界。目前這項最新研究報告發表在2022年6月刊《皇家天文學會月刊》上。

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