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2021-04-14 11:12:26 来源:合肥晚报
美国航空航天局(NASA)的一个探测器,在2700万千米以外对地球大气中氮气所作的观测,给天文学家提供了全新的线索,暗示我们或许能够在遥远的太阳系外行星上分辨出氮气,这种能力有助于在宇宙中寻找外星人。

  在一颗太阳系外行星的大气中找到并测量出氮气,对于确定那颗行星是否宜居,有可能至关重要。这是因为,氮气能够给行星表面的大气压提供线索。如果一颗行星的大气中富含氮气,那就几乎可以肯定,这颗行星表面的大气压适合让液态水稳定存在于星球的表面。液态水是已知生命的必要条件之一。

  假如生命真的存在于某颗太阳系外行星上,检测到氮气以及氧气,还能帮助天文学家验证氮气的生物起源,因为氮气的存在能够排除某些无需生命活动就能产生出氧气的途径。

  问题在于,氮气是一种很难从远处就能发现的气体。科学家经常把氮气称为“看不见的气体”,因为它很少在可见光或者红外线波段留下属于自己的印迹,让人们很难通过光谱分析检测到它。检测遥远行星大气层中氮气的最好办法,就是测量氮气分子彼此之间的碰撞。这些碰撞会在极短的时间内,让两个氮分子碰在一起形成氮分子对,会在光谱中留下独特且能够分辨的印记。

  美国华盛顿大学的天文学博士生爱德华·施韦特曼(Edward Schwieterman)、天文学教授维多利亚·梅多斯(Victoria Meadows),以及他们的合作者证明,只要有了合适的设备,未来的大型望远镜就能够在地球一样由岩石构成的外星行星的大气中,检测到氮分子对留下的这种独特的印迹。

  这些科学家利用华盛顿大学虚拟行星实验室的三维行星建模数据,模拟了地球大气层中氮分子碰撞可能会留下怎样的光谱印迹,并将模拟数据与2005年发射升空的NASA深度撞击(Deep Impact)飞掠探测器对地球的真实观测数据进行了比对。

  深度撞击探测器的首要任务,是在2005年7月4日对坦普尔1号彗星(Temple 1)的彗核进行撞击,并近距离观察撞击的全过程。首要任务完成后,飞掠探测器发挥余热继续执行了被称为EPOXI的扩展任务,其中一项目标就是,将地球当成是一颗太阳系外行星,展开观测并测定地球的各项性质。

  科学家把EPOXI任务观测得到的真实数据,与虚拟行星实验室的模拟数据进行了比较,发现他们能够确认地球大气中由于氮分子碰撞而产生的光谱印记,由此证明氮气也可以在遥远的距离上被观测到。

  “虚拟行星实验室有这样一个理念,在把一个想法推广用来研究太阳系外类似地球的行星之前,你必须先验证它是可行的。”施韦特曼说,“正因为如此,把地球当成一颗太阳系外行星来研究才如此重要。我们能够验证,在一个遥远的探测器眼中,氮气可以在我们这颗行星的光谱里留下看得见的印记。这告诉我们,去其他地方寻找氮气是值得的。”

  证明了确实可行之后,这些科学家利用虚拟行星实验室的模型,模拟了大气中包含不同数量氮气的太阳系外行星远远看去时会是什么模样。

  这些科学家在论文中写道,检测到氮气的存在,将帮助天文学家测定潜在宜居行星的大气性质,并判断那里的氧气由非生命过程产生的可能性。

  施韦特曼说,“我们这项研究得出了一个有趣的结论,那就是——基本上,只要有足够的氮气让你能够检测到它,差不多就已经证明,在表面温度一个非常大的变动范围之内,那里的地表气压都足以维持液态水的存在。”