地球氣候模型如何幫助科學家描繪難以想像的異星世界中的生命體
在馬裡蘭州的格林貝爾特,美國宇航局戈達德太空飛行中心的西北邊界有一處毫不起眼的磚石建築,上萬臺自動售貨機大小的計算機在此排排碼開,不間斷地進行數據處理,合唱般地發出嗡嗡巨響。晝不歇夜不停,它們每秒能進行7千萬億次運算。這些機器便是萬人皆知的美國宇航局超級計算機,被委以處理複雜的氣候模型運算的重任,並以此預知地球未來的氣候狀況。
而如今,它們的重任遠不止此。人類過去20年發現了超過4000個奇特的太陽系外星體,引人好奇。計算機正致力於研究,這些星體中是否有誰能夠支撐生命存在。
科學家發現,答案不僅是有,而且其生命的存在條件相對地球而言,有一些著實匪夷所思。這個發現讓科學家們開始想一個問題:會不會是我們對宜居星球的形成條件理解得太局限了?而這對美國宇航局尋找地外生物十分關鍵。
新一代強大的望遠鏡和太空天文臺會給我們提供更多線索,也能讓科學家們首次分析他們最感興趣的星體大氣組成,如果是像地球一樣的巖態行星,那很可能會存在對生命體必不可少的物質——液態水——流淌在其表面。
探測遙遠的大氣層暫時還存在困難。以現今的技術,向太陽系外最近的行星,即系外行星,發射宇宙飛船要費時75000年。即使望遠鏡足夠強大,細緻研究近距離系外行星還是不現實的。問題在於它們體積太小而其恆星的光芒太盛,科學家無法辨別它們反射的微弱的光信號——這些信號能夠反映其表面是否有生命體的化學物質。
換言之,探測這些幽靈行星的大氣成分,正如很多科學家所說,就好比站在華盛頓卻想看清拉斯維加斯探照燈旁飛舞的螢火蟲。這讓地球氣候模型對系外行星的選擇很苛刻,卡爾·司德普菲爾德說。卡爾是位於加利福尼亞州,帕薩迪納的美國宇航局噴氣推進實驗室的首席系外行星科學家。 「氣候模型會對我們在系外行星上的所見做出具體可靠的預測,」他說。「這對我們設計未來的望遠鏡和制定觀察策略具有重要意義。」
地球氣候模型示意圖(圖源:Schmidt Futures)
太陽系還是個好模型嗎?
用地面和太空望遠鏡觀測宇宙,天文學家發現了五彩繽紛的世界,形態各異得仿佛是誰的想像畫。
「曾有很長一段時期,科學家們熱衷於尋找與太陽、地球類似的系統。我們的認識太局限,」伊麗莎·昆塔娜說,她是美國宇航局戈達德太空飛行中心的一名天體物理學家,於2014年領導發現了體積地球大小的Kepler-186f行星。「但後來我們發現行星多樣性是多麼廣闊,我們找到的行星有和月球一般小的,也有巨型的;有繞著小恆星、大恆星或合星運行的各式行星。」
實際上,美國宇航局的克卜勒太空望遠鏡、凌日系外行星巡天衛星和地面觀察觀測到的大多數行星都不存在於太陽系。它們的大小介於地球和氣態天王星之間,氣態天王星體積是地球的四倍。
當行星運行經過地球和其所繞恆星的中間時,我們能觀測到恆星有淡淡的黑影,因為運行的行星擋住了它的部分光線。測量這些恆星光線下的黑影是一種名為「中天法」的技術,科學家們常用來觀測系外行星。科學家繪製了「光變曲線」圖,展示了恆星亮度隨時間變化的圖像。通過此圖科學家能看到被行星擋去的光相對恆星的佔比、行星通過星盤所用的時間,這些信息能幫助估計行星到其恆星的距離和它的質量。
來源:美國宇航局戈達德太空飛行中心
目前發現的與地球體積相近,理論上最有可居住性的行星都是圍繞紅矮星運行的。宇宙中的恆星絕大部分是紅矮星。我們之所以有此發現,可能是由於紅矮星相對太陽而言體積更小亮度更暗,所以望遠鏡能夠更輕易地探測到繞其運行的行星的信號。
紅矮星體積小,行星們不得不緊挨著它繞行——緊挨得比水星太陽的距離還近——只有足夠近才能待在紅矮星的引力範圍內。相比其他所有恆星,紅矮星溫度低,行星也只有靠保持近距離獲得足夠熱量,維持其表面的液體積聚。
2014年,美國宇航局的斯威夫特任務探測到了一系列破紀錄的X射線耀斑,這是由附近兩顆紅矮星組成的雙星DG CVn釋放出的,如圖示。高峰時,最先開始的耀斑在X射線波段中的亮度比雙星全波段正常情況下的亮度合起來還要亮。
這一發現的最引人矚目的紅矮星,半人馬座比鄰星b,或簡稱半人馬座b,是最近的系外行星。在TRAPPIST-1行星系統附近還存在七個巖態行星,它們是否存在生命還有爭議。科學家指出紅矮星向其行星發射的有害紫外線和X射線是太陽向太陽系輻射的500倍。就表面判斷,這樣的環境能讓任何靠近紅矮星的行星大氣層剝離、海洋蒸發、DNA灼傷。
但,或許事不至此。地球氣候模型顯示,即使有輻射,紅矮星周圍的巖態行星也能讓生命存活。
雲層有神奇魔力
安東尼·戴爾·基尼奧是剛從位於紐約的美國宇航局戈達德太空研究所退休的行星氣候科學家。他在職時模擬過地球和其他行星的氣候,包括半人馬座b。
戴爾·基尼奧的團隊近來正在模擬半人馬座b上可能的氣候,測試哪些氣候能讓它有足夠的熱度和溼度去讓生命存活。這樣的模型能幫助美國宇航局科學家甄別有希望的行星,值得用宇航局即將發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡進行更細緻的研究。
「我們的研究雖然無法直接告訴觀測者哪個行星可居住,但我們能告訴的是在眾多優秀的備選行星中某個行星值不值得更深入研究。」 戴爾·基尼奧說。
半人馬座b圍繞半人馬座比鄰星運行,形成一個三星系統,距太陽不過4.2光年。除此之外,科學家也沒有獲得更多信息。通過觀測半人馬座b運行時與其恆星的引力大小能估計出它的質量比地球稍大,科學家們因此篤定它是巖態的。
半人馬座b的問題在於,它與其恆星的距離是地球到太陽距離的20倍近,所以它繞行一圈只用11.2天(地球繞太陽一圈用時365天)。根據物理學,這樣親密的距離能把半人馬座b鎖在恆星的引力範圍內,就像月球處在地球引力範圍內一樣。若真如此,半人馬座b的一面受恆星的強烈輻射,另一面則冰凍在宇宙無窮的黑暗中,哪一面都不是有生命的好兆頭。
但戴爾·基尼奧的模擬顯示,即使所處環境嚴峻,半人馬座b和任何與它特徵相似的行星都有可能孕育生命。「其中雲層和海洋起了主要作用,」 戴爾·基尼奧說道。
戴爾·基尼奧的團隊更新了上世紀70年代首次研究出的地球氣候模型,新創了行星模擬器,命名為ROCKE-3D。半人馬座b有沒有大氣層是個開放性的關鍵問題,有望在未來運用望遠鏡解決。而戴爾·基尼奧團隊認為它有。
根據形態不同、包含溫室氣體數量不同,戴爾·基尼奧團隊製作了不同的模擬器模擬半人馬座b的大氣層。他們甚至模擬了不同深度、面積和鹽分的海洋,不斷調整海洋、陸地的比例,研究這些不同如何影響星球的氣候。
諸如ROCKE-3D這類的行星模擬器形成之初只是基於行星的幾條基本信息:大小、質量、其與恆星的距離。科學家們能通過觀察行星掠過恆星時恆星發出的光、測量恆星對繞其運行的行星的引力大小,就能推出上述信息。
這些零碎的信息卻是對應了百萬條計算機密碼,能最終合成最精細複雜的氣候模型。這些密碼指導如美國宇航局發現號超級計算機運用現有的自然規律模擬出全球氣候系統。在大量因素中,氣候模型主要考慮雲層和海洋如何相互循環影響、太陽輻射如何與行星的大氣和表面相互作用。
戴爾·基尼奧團隊在發現號上運行ROCKE-3D時,發現半人馬座b的假想雲層像一把巨大的太陽傘,改變了太陽輻射方向,大大降低了星球上的溫度,不會過熱,而是溫暖。
其他科學家發現,半人馬座b的雲層十分巨大,如果從星球表面抬頭看,能看到雲層覆蓋了整個天空。
「如果一個行星被引力鎖定繞恆星的軸心慢慢旋轉,恆星前方會形成一圈雲層,始終隔在它與行星之間。這是由於著名的科裡奧利效應,造成了在大氣層因恆星輻射氣溫變高的地方形成了對流,」 戈達德行星科學家拉維·科帕普魯說道,他也從事外星氣候模擬的研究「我們的模型顯示半人馬座b可能就是這種情況。」
半人馬座b的大氣海洋循環讓星球白晝的氣溫比我們預想的高,把溫暖的空氣、水分帶到整個星球,隨之提高了星球背陰面的溫度。「所以這不僅讓處於黑夜一面的星球免受寒冷,甚至讓這一面星球即使在根本不見光的情況下,也能保存液態水。」 戴爾·基尼奧說。
這是從ROCKE-3D模型上摘錄下的Fortran代碼,用以計算行星繞恆星運行時的軌道細節。這是由地球模型改進而來的,故適用於處於任何軌道的任何行星,包括被「潮汐鎖定」的行星,它們一面永遠朝向恆星。這個代碼能夠隨時預測恆星在行星天空多高的地方,進而確定行星溫度有多高、白天黑夜各佔多少時長、是否有四季,若有,又分別多長。
來源:美國宇航局戈達德太空飛行中心 / 安東尼·戴爾·基尼奧
全新視角審視古老模型
大氣層像信封,包裹著星球周圍的顆粒。除了有助於星球的熱循環,大氣能將滋養生命的氣體或生命本身產生的氣體分散各地。
這些氣體即是所謂的「生物標誌物」,是科學家們在外星大氣層中會著重尋找的物質。但這些物質究竟具體是什麼尚不分明。
地球的大氣層是科學家們唯一能參照的含有生命賴以生存物質的大氣層。然而在用地球的大氣物質作為模型對照銀河系其他星球時,他們不得不慎而又慎。戈達德行星科學家吉婭達·阿尼演示的模擬顯示,即使再基礎不過的物質,如氧氣——最主要的生命和光合作用不可或缺的標誌——在模型對照中也困難重重。
美國宇航局的科學家有的如今最完整的全球生命圖片。從宇宙中獨特的有利位置觀測地球,美國宇航局的觀察內容不僅是陸地和海洋,還覆蓋了其中的生命體。
阿尼的研究發現了些有趣的事。要是幾十億年前外星人把他們的望遠鏡對準地球,期待看到一個在氧氣中浮遊的藍色星體,那怕是會失望。要想滿足期待,就得用望遠鏡望望其他星球了。但若不找氧氣,在38~25億年前,甲烷會是當時最好的生物標誌。因為當時微生物在海洋中悄然繁衍生息,釋放了大量的甲烷氣體。
「地球這段歷史有趣的地方在於,今日之地球與當時之地球完全不可同日而語,」 阿尼說。「當時的地球還沒有氧氣,甚至還沒成為藍色星體,而是個淺橘色球體。」橘色指的是可能裹挾在早期地球周圍的甲烷產生橘色薄霧。
諸如這樣的發現,阿尼說:「在推測外星情況的時候拓寬了我們的思路。」這在行星科學家探索外星大氣層的時候,有助於擴大他們要尋找的生物標誌的範圍。
為大氣研究者構建藍圖
行星氣候模型給我們的教訓是理論上的——意思是科學家們沒有機會在現實世界逐一印證——但這為未來的觀測構建了藍圖。
模擬氣候的一個主要目的是確認哪個星球值得更進一步用韋勃望遠鏡和其他操作來深入研究,因為使用望遠鏡成本高、時間有限,要確保每一秒都被高效利用。此外,建模能幫助科學家編錄未來要探察的潛在化學物質。有了這樣的資料庫,科學家們能快速辨別行星類型,再決定要繼續研究還是要將望遠鏡投向他處。
探尋遙遠星球上的生命體是一場賭博。戴爾·基尼奧說:「因此,最高效的觀測辦法就是借鑑氣候模型,這樣才能增加這場賭博的勝率。」
FY: 甲殼
轉載還請取得授權,並注意保持完整性和註明出處