類泰坦的系外行星？能否成為科學界的「寵兒」？

2023-04-01 21:40:08

土星的巨大衛星泰坦是太陽系中最迷人的行星之一。為什麼？泰坦的身份不僅僅是土星的衛星，因為它幾乎是太陽系中除地球之外最像地球的行星！

泰坦:生命的希望

2013年1月，美國宇航局的卡西尼號飛船捕獲了土星的朦朧衛星土衛六，它距離土星約144萬公裡。那時，科學家們開始對這個多霧的星球毫無理由地充滿好奇。像地球一樣，土衛六也有一個厚厚的氮基大氣，複雜的化學物質——甚至可能是導致生命的物質——可能已經存在。現在，研究人員已經確定，除了太陽系之外，科學家們還在太陽系外的系外行星上觀測到了類似於土衛六周圍的霧霾，下一代太空的望遠鏡可以觀測到像土衛六這樣的系外行星的霧霾。

類似泰坦的:巴納德之星

儘管大多數系外行星搜索都集中在尋找與地球相似的行星上，但科學家們想知道即將到來的儀器能否識別出可能與我們的地球完全不同的可居住行星。通過模擬，他們圍繞不同的恆星類型建立了類似泰坦的世界模型。他們認為，如果這些行星離它們的恆星足夠遠，可以讓甲烷凝結，如果水和巖石的比例足夠高，可以將揮發性化合物噴射到大氣中形成煙霧，那麼這些行星就會像土衛六一樣。

團隊模擬的第一批明星之一是巴納德之星。巴納德星是太陽系附近的一顆恆星，其質量大約是地球的三倍。這個系統有一個潛在的世界，巴納德星B，位於系統的冰線附近，在那裡水和其他氣體可以凍結成固體，而像甲烷這樣的物質可以凝固，就像我們太陽系中的泰坦一樣。由於觀測條件有限，科學不得不使用一些特殊的紅外天文望遠鏡進行觀測，如LUVOIR(大型紫外/光學/紅外探測器)！

羅亞爾太空望遠鏡

LUVOIR是一個多波長太空望遠鏡，美國航天局計劃將其用作未來的觀測儀器。費爾頓是華盛頓特區美國天主教大學的研究生。今年1月，他在陸璐檀香山舉行的美國天文學會半年一度的冬季會議上宣布了該項目的結果。

研究小組發現，在地球上可以用類似於魯瓦的儀器看到類似於土衛六的薄霧，類似土衛六的系外行星的大氣可以用一個Tai 空的大望遠鏡來描述。

泰坦:一個毛絨絨的世界

我們知道土衛六的氣體主要由氮氣、一些甲烷、少量氫氣和各種其他氣體組成。當氮氣和甲烷氣體上升到土衛六的高層大氣時，陽光和熱量將它們分解成更大的分子，在大氣中產生一種煙霧，類似於地球上大城市的空。研究人員得出結論，圍繞不同恆星的類似土衛六的行星應該有不同的特徵，因為煙霧粒子的大小會隨著溫度而變化。

首先，費爾頓和他的同事模擬了一顆類太陽恆星周圍的世界。儘管這些恆星周圍的世界在煙霧大小和氣體混合物方面與土衛六相似，但有一個重要的區別。雖然土衛六是一顆衛星，但研究人員正在研究行星。

然而，兩者之間的差別是相當小的。泰坦的寬度大約是地球的40%，質量是地球的2%，但是費爾頓說這不是一個嚴重的問題。有了巖石和水的正確組合，一顆地球大小的行星應該能夠在離恆星更遠的地方捕獲氣體，因為那裡的溫度更低。儘管土衛六最終形成了一顆衛星而不是一顆行星，但在同一區域缺少氣態巨行星的星系更有可能擁有類似土衛六的行星。

當然，時機也很重要。過去，地球曾經有一層厚厚的煙霧。雖然它現在可能沒有土衛六厚，但這是在一個真實的類地行星上有霧的進一步證據。

費爾頓和他的同事還用溫度較低的恆星作為模型模擬了一個煙霧瀰漫的世界。較低的溫度降低了煙霧到達大氣的高度，但是費爾頓說，這種差異不應該大到足以影響對世界的成像。然而，較低的溫度也影響了著陸前煙霧顆粒的大小。在這些模型中，氣體分子在大氣層頂部結合在一起形成單體，而這些分子可以結合在一起形成聚合物。當它們落入空氣體時，氣體分子開始聚集在一起形成不對稱的分形單體。

這些分形令研究人員頭痛。費爾頓說，自2016年以來，他一直致力於將煙霧模擬成分形形狀，而不是球體。直到2019年的感恩節，他才最終實現了將類似泰坦的世界放置在不同類型的恆星周圍的模擬，比如紅矮星。

科學家研究的最暗的恆星是紅矮星，這是一顆以大規模火焰活動而聞名的冷星，尤其是在他們年輕的時候。因為紅矮星太暗，行星必須繞更近的軌道運行，以達到它們在類太陽恆星周圍能達到的溫度，這使得它們更有可能被耀斑擊中。較低的溫度將導致霧層變薄，降低它們保護地球免受外部輻射的能力，這可能會影響它們的可居住性。

巴納德是一顆紅矮星，距離太陽約6光年。2018年，研究人員在附近一顆暗淡的恆星周圍發現了一個潛在的冷卻超級地球。費爾頓說，候選行星的低溫環境可能導致它在形成時收集類似土衛六的氣體，使它能夠保持今天的霧狀狀態。在紅矮星和類日星之間是K星。根據新的研究，圍繞k星的類似土衛六的世界可能會形成比圍繞類太陽恆星的霧更低的霧，粒子更小。

藉助新一代望遠鏡，天文學家可以探測到這三種類型恆星周圍的模糊世界。他們收集的數據可以揭示關於這些行星大氣的大量信息，幫助研究人員更好地理解不同類型的潛在可居住環境，而不是更傳統的類地世界。