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将“星”比“星”──回望地球,蠡测系外行星 精选

已有 1899 次阅读 2019-4-2 08:06 |个人分类:航天|系统分类:科普集锦| NASA, JPL, 系外行星, 大数据, 时间序列分析, NASA

作者:蒋迅

本文已发表在《天文爱好者》2018年8月号上。

人类居住的太阳系只是银河系中一个恒星系统中的普通一员。天文学家们估计,在银河系中有一千亿到四千亿个恒星系统。因此不难想象,除了太阳系之外应该还有其他自带行星(我们称之为“太阳系外行星”)的恒星系统。这个猜测在1988年得以证实。到2018年5月8日,人们已经在613个星系中确认了3725个太阳系外行星。除此之外,美国宇航局的开普勒太空望远镜还找到了近4500个太阳系外行星候选体,其中的一些具有地球大小并位于适居地带;有些所环绕的恒星也与我们的太阳类似。人们还证实了,其中的一些太阳系外行星带有大气层,甚至有自己的卫星。开普勒太空望远镜是为发现环绕着其他恒星之类地行星设计的太空望远镜,它指向银河系中的一个特定区域。通过这项任务所得结果,天文学家得出结论:银河系中的恒星有行星环绕是很普遍的。

人类证实了太阳系外行星的存在之后,就开始跃跃欲试去访问那里的外星人了。但是且慢,其实我们根本就不知道在那些行星上有没有大陆和海洋,更不用说外星人了。它们距离我们实在太远,而与其所环绕的星球又太近,以致我们甚至不能直接观测到它们,或者只能看到一个小小的亮点,小到只有一个像素。

这就像我们平时拍照,人物背对着太阳是照不好的,因为你的相机拍出来的是逆光像。解决逆光的一个办法就是将太阳光遮住。美国宇航局基于这个思想开发了一个“遮星板”技术。今年6月我专程去喷气推进实验室的“遮星板设计室”参观,接待我的蒋红涛博士告诉我,他们又开辟了一个新的思路,用现在时髦的术语就是:大数据挖掘。这引起了我极大的兴趣。

他们的出发点就是一个像素。准确点说,就是一个像素时间序列,在此基础上建立一个数学模型来探索系外行星。问题是,怎么能证明可以用一个像素和数学模型来推断一颗太阳系外行星的基本特徵?答案是:你必须把你的数据和模型应用到一颗可以验证的行星上。这颗行星就是我们居住的地球,因为我们对地球已经有足够的认知。

大数据助力:单像素透露多信息

这项新研究使用的是美国宇航局的地球多色成像相机(EPIC)的数据。这个相机安装在美国国家海洋和大气管理局的深空气候观测台(DSCOVR)卫星上。DSCOVR在拉格朗日点L1处绕太阳运转,自2015年6月以来它每时每刻为EPIC提供地球上阳光照射的地表视野。

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图1:深空气候观测台卫星(DSCOVR)在空间的位置示意图,它位于第一拉格朗日点L1处。(来源:NASA)

现在,美国宇航局要以地球作为实验室,用这个多色成像相机来做太阳系外行星研究。如果我们想要得到太阳系外行星的自转速度以及其陆地、海洋、大气风暴等特徵,那么我们首先要看看我们能否通过一个像素的信息来分析我们的地球。这就好像是我们假想着有外星人在遥远的地方在观察我们的地球。他们通过什么仪器和手段来获取地球的信息呢?

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图2:地球多色成像相机(EPIC)用10个波长拍摄的地球图片(来源:NASA)

EPIC仪器的一个亮点是它能以10种不同的波长来捕获来自地球的反射光线。因此,每当EPIC拍摄地球时,它实际上会拍摄10张图像。当然这10张图片都含有大量的像素信息。新研究将每个图像平均成一个点光源,即相当于每个波长的一个单像素,然后分析每个波段点光源的亮度变化以获得地面云层、陆地、自转周期及其他细节。平均成点光源是因为,在实际太阳系外行星观测时,即使用目前最大的望远镜,我们也只能看到点光源,不可能看到实际图像。一个单一的像素快照可以提供有关地表的非常少的信息。但我们有10个波段的单一像素,而不同材料反射不同波长的光到不同程度 -- 例如,植物主要反射绿光;与被冰覆盖的行星相比,像火星这样的红色行星将具有非常不同的颜色轮廓。在这项新研究中,他们分析了一个大数据的集合,其中包含两年内每天多次拍摄的10个波长的单像素图像。尽管提供给研究人员的地球信息已经减少到单一的光点,但他们的分析表明,只要长期坚持观测,小小的点光源也能提供大量信息(大数据)。

时间序列分析:威力不凡的“找不同”

他们对这些单一像素的图像的亮度做时间序列分析,并采用傅里叶分析的技术提取由于行星自转公转、云层变化和地表类型(海洋、陆地和植被)以及季节变化所带来的周期规律。顾名思义,时间序列是一组按照时间发生先后顺序进行排列的数据点序列。通常一组时间序列的时间间隔为一恒定值(如1秒,5分钟,12小时,7天,1年),因此时间序列可以作为离散时间数据进行分析处理。傅里叶分析是数学的一个领域。根据傅里叶分析,任何物理信号都可以分解成一些离散频率或连续范围的频谱(即对特定信号或特定种类信号频率内容的分析的统计平均)。这部分内容已经超出了本文的范围。简单地说,他们得到了地球上24小时的昼夜循环。他们还能够估算海洋、陆地、植被、冰和岩石的比例,以及云覆盖的季节性变化,识别大气中的水云并测量地球的旋转速率等。

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图3:旅行者1号探测器飞出海王星轨道后,在大约59亿千米远的地方拍下的地球照片(来源:NASA)

把地球作为研究太阳系外行星的实验室的思想不是第一次出现,但从来没有人考虑过从遥远的地方能得到什么样的行星特徵,也没有人在研究中使用过如此多的波段。他们使用的观测数据时间段也是前所未有的:超过了27个月的时间,每天拍摄约13次。数学计算表明,如果要超过90%的置信度测量太阳系外行星的旋转速度的话,那么就需要在每个自转周期(即太阳系外行星的一“天”)内拍摄两到三次图像。

喷气推进实验室的大气与气候科学家蒋红涛是这项研究的带头人。他说,“利用地球作为太阳系外行星的替代的好处是,我们可以通过与我们对地球实际拥有的大量数据与单像素数据中得出的结论做比较,从而验证我们通过单像素数据得出的结论。如果我们直接使用来自一个太阳系外行星的数据的话,我们无法知道我们的分析结论是否正确。现在有了地球实验的依据,我们就可以有信心地说,我们的方法是有效的。”

接下来的问题就是直接观察太阳系外行星并获取数据了。但是行星比母星要暗得太多,例如地球亮度只有太阳的10亿分之一,所以它们极难被检测到。大多数已知的太阳系外行星都是利用“行星凌星”现象(即行星经过恒星前面时导致恒星亮度周期性地轻微下降)间接观测到的,著名的开普勒太空望远镜就是按这个原理设计的。通过直接成像,仅发现了大约45颗太阳系外行星,而且所有这些行星都比地球大得多。天文学家们也拍摄了一些木星大小的太阳系外行星的直接图像。但是对于地球尺度的行星系统,要想直接成像,需要一个口径数百米的太空望远镜。参看一下目前人们的实际能力:美国宇航局下一次要发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜的直径只有6.5米!

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图4:开普勒太空望远镜寻找系外行星的方法──凌星法──示意图。它通过探测行星经过恒星前面时导致的恒星亮度周期性轻微下降来探测行星。

这种方法的有效性还取决于行星的独特特徵。在表面大致均匀的行星上可能看不到日循环模式。例如,金星被厚厚的云层覆盖,表面没有海洋,因此可能不会出现反复出痕7b的图案,或者可能不足以在单像素图像中观察到。像水星和火星这样的行星也具有挑战性,但陨石坑等行星特徵也可能有助于形成可用于测量旋转周期的模式。另一个问题将是观测中采光的光源。EPIC数据提供了一个非常清晰的地球视图,很大程度上不受其他来源光线的影响。但直接成像太阳系外行星的一个主要挑战是它们比母恒星暗太多,很容易淹没于恒星的光芒之中,因此可能需要更长的时间来辨别可以揭示行星旋转速率的模式。

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图5:直接成像法的一个范例:2015年,双子天文台(Gemini Observatory)通过直接成像法发现一个和太阳系非常类似的行星系统,其中这颗行星被命名为波江座51b(51 Eridani b)。它约为两倍木星质量,距离母恒星13个天文单位。版权:J. Rameau & C. Marois

早在二十多年前,美国宇航局就计划建造搜寻太阳系外行星的望远镜。其中比较著名的有“太空干涉测量任务”和“类地行星发现者”,但它们都由于种种原因没有能付诸实施或者被推迟。最大的障碍是经费。美国宇航局每年得到的经费只有不到整个联邦预算的0.5%,这其中还包括航空、太阳系和载人航天等多个领域,能分配给深空探索的钱就可想而知了。尽管如此,美国宇航局仍然在研究能够直接成像太阳系外行星的下一代望远镜的潜在设计。蒋红涛团队的实验可以视为研发的出发点。他说:“我可以想象,在我们的子女那一代,我们可以在月球表面建造这样的望远镜阵”。将来遮星板技术成熟的时候,应该可以将两项技术一起使用,这将对研究太阳系外行星起到更大的作用。

科学家们也在寻找银河系外行星。距离银河系最近的距离地球大约250万光年的仙女座星系是最有希望的地方。有天文学家在2009年使用精密的“微引力透镜”方法寻找仙女座星系的行星。他们宣称发现了一颗可能的行星,但至今没有人能给予证实。寻找银河系外行星的最大困难在于工具。我们还没有一个真正可靠的望远镜。蒋红涛博士告诉我,喷气推进实验室的科学家们建议采用意大利科学家提出的一个大胆的计划:建造一台以太阳作为引力透镜的星际超级哈勃望远镜。这要求必须把望远镜送到750亿千米之外的地方,是冥王星到地球距离的10倍。有趣的是,这项技术也需要前面提到的遮星板。这样的望远镜可以为距离我们一百光年以外的行星拍摄具有1000X1000像素的照片。据保守的估计,该项目至少需要200亿美元,比美国宇航局一年的经费还多。

随着太阳系外行星和银河系外行星直接成像技术的发展,科学家有望能够了解遥远行星的表面特徵。不过他们还将面对一个更大的问题:如何找到那些承载生命的太阳系外行星和银河系外行星?这将是一个更为艰难的课题,但他们毕竟迈出了第一步。




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