2016 年 6 月從國際空間站看到的地球。

地球在外星的天文學家眼中會是什麼樣子呢?如果他們像我們一樣在宇宙中尋找可居住環境的痕跡,他們能夠過觀察知道關於地球的什麼部分呢?這是一個有趣的思想實驗。

這個實驗不僅僅只是有趣,它在科學上還具有指導意義。在許多方面,研究我們的星球以及了解它出現的過程,再盡可能地推斷這些結果會更容易。

一項新的研究表明,在地球上尋找生命的證據可能取決於外星天文學家正在觀察的季節。

在太空科學研究中幾乎沒有什麼能像發現一顆潛在的適居星球那樣引起廣泛的興奮。這個頭條新聞將會像病毒一樣在網路上傳播,各網站之間只有微小的變化。

但到目前為止,我們只看到了可能支持生命的系外行星的一點點線索。我們還有很長的路要走。

在我們達到可以說「是的,這個遙遠的星球是可居住的」的地步之前,需要大量的科學和創新的推理。

關於系外行星的觀測

有一項新研究是通過確認地球在不同季節的外觀來達到這一部分。

該研究是「作為系外行星的地球:II。地球的時變熱輻射及其生物指標的大氣季節性」。它可在網站 arXiv.org 上找到,主要作者是 Jean-Noel Mettler。 Mettler 是蘇黎世聯邦理工學院物理系的一名博士生,研究系外行星和其可居住性。

這類研究的歷史根源可以追溯到 1970 年代,當時太空船正在訪問太陽系中的其他行星。先驅者 10 號和 11 號(木星和土星)以及航海者 1 號和 2 號(木星、土星、天王星和海王星)飛越了地球的鄰居們。

這是對其他行星進行更深入探索的開始。通過測量紫外線和紅外線,科學家們了解了很多關於行星大氣、表面和整體能量平衡的特性。

但是今天,我們生活在系外行星科學的時代。我們正在將相同類型的觀測擴展到光年之外的行星。

我們發現的各種各樣的行星本身就很有趣,但如果説在系外行星科學中最難確認的部分,那一定是宜居性,我們想知道是否還有其他東西生活在那裡的某個地方。

隨著我們技術的進步,天文學家也獲得更先進的儀器來研究遙遠的行星。銀河系其他地方的技術文明可能也會做同樣的事情。

外星人要如何觀測地球

這項研究檢查了地球的紅外發射光譜、不同的觀測幾何形狀對這些光譜的影響,以及這些觀測結果對更遙遠的觀測者來說會是麼樣子。

研究人員還評估了季節變化對光譜的影響。「我們了解到,地球的熱發射光譜存在顯著的季節性變化,而 N2O、CH4、O3 和 CO2 等生物指標光譜特徵的強度在很大程度上取決於季節和觀察其幾何形狀。」

該研究著眼於四種不同的觀測幾何形狀:以南北極為中心的各一個,以非洲赤道為中心的一個,以及以太平洋赤道為中心的一個。

這些光譜是用 NASA 的 Aqua 衛星上大氣紅外探測器觀測到的。

研究人員發現,地球的熱輻射光譜沒有單一的、具有代表性的樣本。季節性的變化使之成為不可能。

研究人員還發現,通過觀察幾何形狀,熱輻射變化很大。隨著時間的推移,在陸地上的讀數的變化比在海洋上的要大得多。非洲赤道觀測和北極觀測以陸塊為中心,顯示出更大的變化性。

「具體而來說,北半球的極地觀測 (NP) 和以非洲為中心的赤道觀測 (EqA) 在地球的峰值波長 ≈ 10.2 µm 處分別顯示出 33% 和 22% 的年變化率。」該論文總結道。

但是海洋的熱穩定性代表了其變化性較小。「另一方面,由於海洋的高熱慣性,觀察海洋具有高比例的幾何形狀,例如南半球極點 (SP) 和太平洋中心赤道視圖 (EqP),則顯示出較小的年變化率。」

地球觀測的複雜性

這項研究的總體結論是,像地球這樣一個有生命的、動態的星球,不能用單一的熱輻射光譜來描述。地球上有太多的事情發生,而這項研究甚至沒有深入研究雲層及其影響。

作者寫道:「我們未來的工作還需要研究雲的比例、雲的季節性及其熱力學相位特性如何影響大氣季節性的檢測和結果」。

作者說,有些變化很小,在觀測遙遠的行星時會很難理解,混亂的數據可能會掩蓋它們。

「即使對於地球,尤其是對赤道觀測,盤面綜合數據中吸收特徵的通量和強度的變化也很小,通常約為 10%。在未來的系外行星觀測中,將這些變化從雜亂中分離將是一個挑戰。」

作者也承認,地球的複雜性使其成為此類觀測的一個困難目標。

他們解釋:「這種複雜性使得行星環境的遠程表徵非常具有挑戰性。使用地球作為我們的試驗台,我們了解到,一顆行星及其特性不能用單一的熱輻射光譜來描述,而是需要進行多波段的測量,最好是在反射光和熱輻射中進行測量。」

我們對大多數系外行星探測都是基於這些行星在其恆星前的幾次凌日。但這有其局限性。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡旨在研究一些具有更大能量的系外行星的光譜,因此我們正在接近能更好地了解我們所見之物的那一天。

這項研究測試了一種在中紅外而不是反射光中觀察系外行星的新方法,即使還存在著季節性變化和觀測幾何變化。

「……我們發現我們的結果對晝夜或季節性影響相對不敏感,這與反射光測量的情況不同。」Mettler 和他的合作研究人員認為,他們的方法可以為反射光下的系外行星觀測提供獨特的數據。

「因此,我們得出結論,透過熱輻射觀測系外行星可以提供獨特的補充訊息,這對於描述其他恆星周圍的類地行星的特徵是必要的。」

本文最初由 Universe Today 發布。

更多科學與科技新聞都可以直接上 明日科學網站 http://www.tomorrowsci.com

參考資料:

  1. Gough, E., (16 October 2022). New Study Asks: If Earth Were an Exoplanet, Could Aliens Tell It Has Life? ScienceAlert
  2. Gough, E., (14 October 2022). If Earth Were an Exoplanet, It Would Still be Tricky to Figure Out if There’s Life Here. Universe Today
  3. 圖片來源:https://images.nasa.gov/details-iss048e002079 (Jeff Williams/NASA/JSC)
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