用化学办法探测宇宙？是的，你没有听错

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【图解】地球旁边，是一个有着平整的大气的更大的行星——亚海王星的示例模型。亚海王星是比海王星小但比地球大的行星。它们一般为地球直径的1.7?3.5倍。美国宇航局一项新的钻研标明，天文学家能够经过剖析大气的化学成份来探测一些这种星球上的陆地。（来源：NASA/ JPL-Caltech，图源：EarthSky）
译者注：来源为文章表明图片作者，或作品公布方；图源表现获得的网站、平台；不肯定填哪个


咱们所寓居的地球是太阳系中独一外表存在液态水的星球，在太阳系中，地球上的陆地是并世无双的。然而迷信家们以为，在河汉系的其余中央，可能还存在着其余的陆地世界。2021年10月下旬，美国宇航局公布了一项新的钻研，迷信家能够经过使用化学办法在边远的系在行星上找到暗藏的陆地。该钻研标明，外表掩盖着陆地的星球与不存在陆地的星球比拟，其大气的化学成份存在着明显的差别。
新的同行评谈论文在10月28日颁发于《The Astrophysical Journal Letters》（ApJL，2020年影响因子7.413），它一样能够作为一个预印本，在arXiv网站上获取。
译者注：次要是由于主流学术期刊颁发周期过长。为了放慢学术流通而创立的一个平台，便利学者们的沟通交流，arXiv次要是作为一个论文未颁发以前的一个交流平台而存在的，其实不属于一个正式的颁发渠道。


躲藏的外域陆地
这项新的钻研标明，天文学家能够经过剖析系在行星的大气化学成份来探测陆地。个别来着，这个办法可能合用于类地行星、超级地球或是亚海王星（半径小于海王星但大于地球的行星）。本文重点关注直径为地球直径1.7-3.5倍的行星。带有光谱仪的望远镜能够辨认出一些行星大气的化学成份，其中包罗行将推出的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）。它们能够分辨行星大气中的氧气、二氧化碳或是甲烷等气体成份，这些气体的存在代表着那里可能存在着生命。
这很让人冲动，但这样的化学剖析也能够暴-露这些行星的其余信息，它可能会疏导天文学家找到陆地，也对其生物宜居性存在影响。


【图解】当咱们形容不同类型的系在行星，咱们经常会用“热类木星”、“暖海王星”、“超级地球”等词是甚么意思呢？在钻研系在行星时，参考咱们本人的太阳系中相熟的行星会对钻研有所帮忙，因此会使用这样的定义形式。（来源：NASA，图源：Youtube）
过热仍是过冷？
最少在某些状况下，太空望远镜能够协助肯定这些系在行星外表是不是存在液态水。更详细地说，经过剖析大气中的化学物资，迷信家能够估测系在行星的外表温度，进而剖析这关于液态水而言是不是温渡过高
那末哪些化学物资可能预示着云层之下可能存在着陆地呢？一项发现是大气中的二氧化碳和氮气，其中氮气份子由两个氮原子构成。它们的存在将证实这颗行星的大气层更冷且更薄，即更像地球等类地行星上的大气层。这将标明这颗系在行星上尚未产生热化学均衡（化学均衡）。


在热化学均衡中，大气的化学性质产生了变动。这类状况在亚海王星较为常见，这时候那些行星的大气层次要由氢气构成，此时碳和氮以甲烷和氨气的方式存在，大气层显著更厚。
在这类状况下，和咱们太阳系种气体巨星和冰巨星上的大气层同样，浓重的大气会捕捉热量。当温度达到1430华氏度（770摄氏度）时，会产生热化学均衡。这太热了，液态水陆地无奈在这类星球存在。


【图解】这项对于系在行星陆地的钻研由美国宇航局喷气推动试验室胡伦宇（Renyu Hu）领导。（来源：JPL-Caltech，图源：researchgate）
氨气含量差别
可能存在陆地的另外一个症结目标时大气中短少某一种物资：氨气。因为氨气极易溶于水，因此在有陆地的星球的大气中，氨气简直不存在。同时，陆地的pH（酸碱性）程度也会影响氨气的含量（假如存在的话）。
另外，陆地星球大气中的二氧化碳含量应比一氧化碳多。假如一颗星球的大气中既短少氨气又有过多的二氧化碳，这将是这个星球存在陆地的无力证据。正如领导这项钻研的美国宇航局喷气推动试验室（JPL）的胡伦宇（Renyu Hu）所说：
“假如咱们视察到热化学均衡的特点，咱们会失掉论断，这颗行星太热而不成寓居。反之，假如在一颗系在行星上没有视察到热化学均衡的特点，也没有观测到有气体溶解于液体陆地中的大气特点，那末咱们将以为它有极高的可能性是宜居的。


“咱们尚无间接的观测证据来标明亚海王星的独特物理特点是甚么。其中的许多可能有少量的氢气大气层，但仍有不少多是“陆地行星”。我但愿在不久的未来，这篇文章能激起更多的观测，进而失掉问题的谜底。“


【图解】亚海王星类型行星的艺术概念，寰球掩盖着陆地。（来源：Amanda Smith/ University of Cambridge，图源：EarthSky）
将来瞻望
NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）将于十二月18日发射，它将配备一个可以剖析一些星球大气的光谱仪。如文章所述：
“这些气体外行星的透射光谱中发生了共同的特点，使用詹姆斯韦伯太空望远镜进行过度数量的反复凌日观测应该能够区别星球上的小型大气层与K2-18 b等行星上的微小大气层。因此，这类办法提供了一种使用最新装备测定亚海王星型系在行星的大气品质和宜居性的办法。“
换句话说，使用化学办法，JWST可以辨认大气中可能证实系在行星存在陆地的迹象。看看JWST在将来几个月或是几年中会发现甚么，这将会是非常振奋人心的。


一句话总结：美国宇航局的迷信家钻研发现，使用化学办法，能在边远的系在行星上找到暗藏的陆地。存在陆地的星球与没有陆地的星球的大气成份截然不同，其中包罗氨气的匮乏。
（注：使用光谱成像仪探测气体成份的办法探测气体成份，并以气体成份含量与存在陆地的相干瓜葛失掉存在陆地的可能性，除了热化学均衡相干内容，其余内容和化学学科的相干性觉得真的不高啊……）
BY: Paul Scott Anderson
FY: Aphelion
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