地球2.0寻找指南——万变不离其宗_风闻

原创：牧夫天文

作者：Matt Williams

翻译：王婧彧

校对：王茸 杨伯顺

美编：崔郁

后台：库特莉亚夫卡 李子琦

原文链接：

https://www.universetoday.com/143176/earth-is-an-exoplanet-to-aliens-this-is-what-theyd-see/#more-143176

地球2.0寻找指南——万变不离其宗

在最近的十年，人类对系外行星的研究取得了长足的进步。4000多颗系外行星（超链接：https://exoplanets.nasa.gov/）中的大部分就是在这些年里发现的，人类的目标也不单单局限于增加这一名单的长度，而是转向了对它们的精细研究。值得期待的是，下一代的仪器将能够大规模地揭示关于这些行星的表面和大气层的秘密。

一个问题自然而然地诞生了：对于在研究地球的外星种族来说，地球是什么样的存在呢？来自加州理工学院的科学家们利用不同波长下地球的资料绘制了一幅外星人眼中的“地球画像”。为什么会想到这么清奇的研究角度呢？当然不仅仅是满足人类的好奇心，它还能帮助天文学家重建类地行星的表面特征。

研究团队将结果发表在了《科学》杂志上，论文的题目为《作为系外行星的地球——一幅二维外星地图》，并且此团队还将在《天体物理学杂志通信》上发表文章。研究团队由范斯腾(Siteng Fan)带领,成员来自加州理工学院地质和行星科学系以及NASA喷气动力实验室(JPL)

艺术想象图：系外行星的大气与其母星相互作用

Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STSci)

在寻找潜在的宜居的系外行星时，科学家们不得不使用间接的方法。由于大多数系外行星的大气成分和表面特征无法直接观测到，如果能知道“类地球”行星应该是什么样科学家们就心满意足了。

范斯腾说道，天文学家们和系外行星的研究目前仅限于：

“首先，目前的系外行星研究并没有弄清楚适宜居住的最低要求是什么。虽然有一些标准被提了出来，但是我们不能确定它们是否充分或者必要。其次，即使是有了这些标准，受限于探测的困难，目前的观测技术并不能证实是否宜居。”

鉴于地球是目前已知的唯一能维持生命的行星，研究团队认为对地球的遥远观测能够代表在远距离观测一个宜居行星的智慧种族得到的结果。范斯腾认为，地球是我们已知的唯一存在生命的行星，研究一下地球在遥远的观测者眼中的样子能指导我们寻找可能的宜居行星。

在海尔望远镜(Hale telescope)的1.5米口径组件上使用涡状日冕仪直接拍摄得到的HR8799附近的系外行星

Credit: NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory

地球气候中最重要的，同时也是对于地表生物必不可少的就是水循环。水循环有三个阶段：大气中的水蒸气，由液态水和冰晶组成的云和地表的水体。

因此，对于遥远的行星，这些可以作为判断它是否宜居的标准，甚至能告诉我们那里是否有生命存在。因此，成功地辨认出系外行星上的这些地表特征和云就成为寻找宜居星球的关键。

为了弄清楚在远处的观测者眼中地球的形象，研究团队叠加了9740张由NASA的DSCOVR(深空气候观测站，Deep Space Climate Observatory)卫星拍摄的图片。这些图片是在2016和2017年拍摄的，相邻两张的拍摄时间间隔为68~110分钟，它们捕捉到了被地球大气层反射的不同波长的光。

接着，范斯腾和他的同事用这些图片得到了一张随时间变化的十通道反射光谱，之后再对昼半球表面进行积分。这样就能够很好地再现遥远的观测者对地球观测两年后得到的结论。

利用加州理工学院发明的一种方法能够更好地辨别地表特征

Credit: IAU/L. Calçada

“我们发现地球光变曲线的第二主成分与昼半球的陆地占比呈现强相关（拟合后决定系数R2=0.91）”，范斯腾说道，“再结合可见的几何结构，地图的重构就变成了简单的线性回归问题。”

在分析了结果曲线并与原始图片进行对比后，研究团队发现了曲线中与陆地占比和云量相对应的参量。然后，他们将与陆地最相关的参量进行校准，使之符合地球的24小时自转，这样就能得到一张反映在光年以外观测地球看到的光变曲线等高图。

研究团队绘制的地球光变曲线等高图

Credit：Siteng Fan et al. Earth as an Exoplanet: A Two-dimensional Alien Map.2019

图中黑线代表地表特征，大致与主要大陆的海岸线重合。图中绿色代表了非洲（中部）、亚洲（右上）、南北美洲（左部）和南极洲（底部），其他部分代表了海洋，较浅部分用红色表示，较深部分用蓝色表示。

当把这些特征运用到系外行星的光变曲线上时，天文学家们就能知道它是否有海洋、云和冰盖——这些都是“类地球”行星的必要条件。正如范斯腾总结得到的：

“对于地球光变曲线的研究给我们研究系外行星的地貌和气候系统带来了启示。我们发现地球光变曲线的变化是由云和陆地/海洋比主导的，这些对于地球上的生命来说都十分重要。因此，拥有这种特征的类地行星更有可能有生命存在。”

类地行星

Credit: JPL

在不久的将来，新一代仪器的服役，比如詹姆斯·韦伯望远镜(James Webb Space Telescope)以及地基望远镜的使用，比如极大望远镜(Extremely Large Telescope)、三十米望远镜(Thirty Meter Telescope)、巨型麦哲伦望远镜(Giant Magellan Telescope)，都有望实现对小型岩态行星的直接观测。

再加上对地表特征和大气条件的研究，天文学家们最终就能自信地宣布哪些系外行星是宜居的，哪些是不宜居的了。幸运的话，地球2.0（们）就在眼前了！

阅读论文：https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1908/1908.04350.pdf

『天文时刻』 牧夫出品

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可能有居住条件的开普勒186F行星艺术图

Illustration Credit: NASA Ames / SETI Institute / JPL-Caltech, Discovery: Elisa V. Quintana, et al.