研究人员提出了一种研究系外行星表面的方法

时间：2021-09-10 17:58:01来源：

开普勒10b是一个焦灼的世界，它的运行轨道距离水星的距离比水星到我们自己的太阳的距离大20倍以上。人们认为白天的温度超过华氏2500度，比地球上的熔岩流还要热。图像

研究人员旨在分析电磁光谱红外部分中的系外行星，以便更好地了解系外行星的表面成分，并帮助确定类星体在我们银河系中的流行程度。

开普勒（Kepler）任务等过境调查发现了许多岩石状的地球。对于那些熟悉去年金星过境的人来说，系外行星过境是同一主意–地球上的观测者认为，系外行星横穿其母恒星的表面。通过比较过渡行星的星光量和宿主恒星发出的总星光，天文学家可以确定过渡行星的半径。

最近的调查表明存在系岩石表面的系外行星，这使其类似于我们自己的“陆地”行星水星，金星，地球和火星。但是，许多被认为具有岩石表面的系外行星似乎没有任何明显的大气层。一种这样的系外行星是Corot-7b，它的轨道非常接近其母恒星。系外行星55 Cancri e估计是地球半径的两倍，质量是地球质量的八倍，也可能是岩石行星，甚至可能由钻石制成。

开普勒任务发现的第一个岩石系外行星是开普勒10b，其质量约为地球质量的四分之一。此后，开普勒任务发现了许多“超地球”型系外行星，这些系外行星的质量大于地球，但质量却小于海王星等行星。部分由于其质量高，超地球系外行星可能是岩石状的，或具有海王星等非常浓厚的气态大气。

为了更好地了解地球系外行星的组成，麻省理工学院和加州理工学院的研究人员提出了一种通过研究电磁光谱红外部分的系外行星从各种表面材料中识别独特化学特征的方法。更好地了解系外行星的表面成分将有助于研究人员确定银河系中普遍存在的类地行星。

麻省理工学院的主要作者胡仁宇说：“寻找类似地球的行星是许多天文学家和更广泛的科学界共同努力的主要努力之一。”

尽管最终目标将有助于研究人员寻找类似地球的系外行星，但研究人员目前的方法主要针对“无气”的岩石世界。通过在我们的太阳系中拥有相似的物体，特别是我们的月球，火星和水星，该团队也许能够将太阳系中检测到的矿物与岩石系外行星的特征进行比较。

该小组提议分析电磁光谱的红外部分中的系外行星，以确定系外行星的表面成分。使用该团队的方法进行研究的理想系外行星是那些能转换其主恒星的系外行星。然而，利用当前的技术，研究团队告诫说，确定系外行星的表面成分与研究其太阳系对应物是一个非常不同的过程。由于技术的限制，研究小组建议集中研究从系外行星发现的最突出的矿物特征。

美国国家航空航天局（NASA）的开普勒（Kepler）任务证实了它的第一个岩石行星，即开普勒10b（Kepler-10b）的发现。它的体积是地球的1.4倍，是我们太阳系以外发现的最小的行星。这种所谓的系外行星的发现是基于飞船从2009年5月到2010年1月初收集的八个多月的数据。该视频由开普勒副科学团队负责人Natalie Batalha讲述。

NASA喷气推进实验室的Mark Swain不在研究团队中，他说：“我们最有可能通过大气发现来发现生命迹象。”

通过将他们的方法集中在表面温度低于2,000 K的“无气”岩石系外行星上，该团队可以分析不同材料的独特化学特征。开普勒任务探测到的几颗系外行星（Kepler-22b，Kepler-20f和Kepler-11b）实际上可能具有硅酸盐（岩石）表面，使其成为该团队方法的理想候选者。研究小组指出，开普勒发现的大量系外行星距其寄主恒星的距离适中，具有岩石表面。

“我们建议通过天文观测，通过硅酸盐岩石独特的热辐射特征来确定系外行星是否具有岩石表面，”胡说。“通过光谱学，人们可以从字面上'看到'岩石，或更确切地说是行星的巨石。”

不同的表面矿物在不同的波长下具有独特的特征。例如，在可见光和近红外中，辉石，橄榄石和赤铁矿等矿物质具有很强的化学特征。矿物质（例如赤铁矿）在可见光和紫外线波长下具有突出的信号。此外，与水形成的材料会发出近红外信号。

胡说：“可以通过反射来区分的几种类型的表面是超镁铁质表面（表明行星上有活跃的火山作用），粘土表面（表明过去或现存的液态水）和水冰。”“了解岩石系外行星的表面组成是获取地球上可居住性和自然资源可用性的关键步骤之一。”

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使用红外分析技术，已经详细研究了太阳系中岩石物体的表面成分。

在我们的月球上，月球暗区的玄武质通常被称为“母马”，表明它们是由火山喷发形成的。相反，月球高地是明亮的，其组成表明是由岩浆海洋形成的。

火星具有强烈的铁质特征，再加上红色，有助于确定火星表面的主要成分是一种称为赤铁矿的矿物。火星上的其他表面特征也表明存在诸如辉石和橄榄石的矿物质。

水星的观测表明它与月球高地相似，但是由于更精确的表面成分读数，环绕水星的MESSENGER航天器最近的观测对这一观点提出了挑战。

主序星的光谱类型（由有效温度表示）与岩石行星保持不融化的最内层轨道距离之间的关系。截至2011年4月，红点是开普勒发布的行星候选星（Borucki等人。2011).从左到右，黑色标记对应于具有或可能具有岩石表面的行星：55 Cnc e，Kepler-10 b，Corot-7 b，Kepler-18 b，Kepler-20 e，Kepler-11 b，Kepler-20 f，水星，Kepler-22 b和地球。图像

研究小组断言系外行星上的岩石表面具有独特的化学特征，以及火山表面和地表水冰。如果系外行星的大气稀薄，则可能会引入其他特征，尤其是在所述大气中含有水蒸气，二氧化碳，甲烷或氨气的情况下。研究小组还强调，如果没有行星大气的事先知识，可能很难确定确切的表面成分。

Swain指出：“一旦增加了气氛，消除信号纠缠就变得越来越艰巨。”“找出存在的问题并不容易，要在行星大气中存在分子特征的情况下检测这些矿物学特征将是一个挑战。将来会有更多的论文来探讨如何分离大气和地面信号。”

“解决这一问题的关键是广泛的波长范围和灵敏的测量，” Swain补充说。“团队在专注于此方面确实做得很好。”

与大气层对确定表面成分的影响相反，太空风化可能会改变无气行星的表面化学性质。宇宙射线，太阳风和微陨石不断轰击表面会使表面变暗和变红。

尽管当前的天文观测台没有识别出系外行星表面的必要仪器，但人们认为诸如即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜这样的太空望远镜具有探测绕太阳系恒星运转的行星上岩石表面的能力。最终，可能需要对系外行星进行直接成像以确定确切的表面成分。确定系外行星的表面成分将使人们更好地了解系外行星的地质历史及其生存的几率。

胡总结说：“在更遥远的未来，可以通过观察行星表面反射的恒星光来研究系外行星岩石表面的详细组成。”“为此，需要对岩石系外行星进行直接成像，这需要具有强大功能的天基望远镜。”