美国国家航空航天局的TESS望远镜发现了地球2.0。
艺术家对恒星可居住区系外行星的印象。
一群研究其他恒星周围行星的美国国家航空航天局系外行星天文学家联系我参加一个秘密会议，并告诉我一颗他们感兴趣的行星。因为我的专业领域是模拟系外行星的气候，所以他们让我确定这颗新行星是否适合居住，是否可能存在液态水。
这些美国国家航空航天局的同事，Josh Slider和他的学生Emily Gilbert，Tom Buckley和Eliza quintana，在研究TESS(系外行星凌星调查卫星)的数据时，发现了一颗可能是TESS首次观测到的地球大小的行星，其表面可能存在液态水。这是一个令人兴奋的消息，因为这颗新行星距离地球相对较近，它的大气层将通过詹姆斯·韦伯太空望远镜或大型地面望远镜进行观测。
宜居带的行星
Gilbert团队发现的这颗行星的宿主星被称为系外行星凌星调查卫星的兴趣星700，或TOI-700。与太阳相比，它是一颗小而暗淡的恒星，大小是太阳的40%，亮度只有太阳的1/50左右。它位于剑鱼星座中距离地球100光年的位置，在我们南半球可以观测到。相对而言，最近的恒星比邻星距离地球4.2光年。要知道这些距离，最快的飞船(帕克太阳探测器)到达比邻星需要将近2万年的时间。
TOI-700周围有三颗行星:B、C和D，行星D与地球大小相同，位于恒星的宜居带，每37天绕TOI-700运行一周。我的同事希望我可以利用恒星和行星的已知特征来建立恒星d的气候模型，行星B和C分别是地球和迷你海王星的大小。但它们的轨道更靠近主星，接收到的星光分别是我们地球距离太阳的5倍和2.6倍。相比之下，金星表面干燥，温度约为860华氏度，接收的阳光是地球的两倍。
直到大约十年前，天文学家只知道宜居带中有两颗大小不同的行星:地球和火星。然而，在过去的十年中，由于地基望远镜和开普勒计划，天文学家发现了大约12颗地球大小的系外行星(他们在2009年至2019年也在寻找系外行星，但现在已经退休)。它们位于其宿主恒星的宜居带，体积是地球的一半到两倍。
虽然迄今为止发现的小型系外行星数量相对较多，但大多数恒星距离地球600至3000光年——太远太暗，无法进行详细的后续观测。
为什么液态水对宜居性很重要？
与开普勒不同，TESS的任务是寻找离太阳最近的行星:足够明亮，便于后续观测。
自2018年4月以来，TESS已经观测了超过1500颗候选行星。其中大多数是地球的两倍大，轨道运行时间不到十天。地球绕太阳一周需要365天。因此，这些行星从太阳获得的热量比地球多得多，地球太热，液态水无法在它们的表面存在。
液态水对宜居性非常重要。它为化学物质的相互作用提供了媒介。虽然在高压或高温下可能存在外星生命，例如在火和水喷口附近发现的极端微生物或在南极洲西部冰盖下半英里处发现的微生物。人类已经能够直接探测到这些极端环境，所以这些发现是可能的，但是这些外星生命在太空中是找不到的。
人类在寻找太阳系外的生命或宜居环境时，完全依靠远程观测。表面的液态水将创造宜居环境，并可能促进生命的出现。然后这些生命形式与它们上方的大气相互作用，存在地球上的望远镜可以远程探测到的生命特征。这些特征可能是陆地气体成分(氧气、臭氧、甲烷、二氧化碳和水蒸气)，也可能是27亿年前古地球的气体成分(主要是甲烷和二氧化碳，没有氧气)。
我们知道发生过这种事情的星球是地球。因此，天文学家的目标是找到一颗和地球差不多大的行星，围绕一颗恒星运行，表面有液态水。这些行星将成为我们探索太阳系外宜居世界和生命特征的主要目标。
TOI 700系统的三颗行星围绕着一颗又小又冷的M矮星旋转。TOI-700d是TESS在宜居带发现的第一颗地球大小的行星。
TOI-700d行星的可能气候
为了证实TOI-700周围存在行星D，Gilbert的研究小组需要通过其他望远镜观测到的数据来证实。TESS在行星穿过恒星之前探测到它，此时恒星的光线变弱。但这种光的减弱也有可能是仪器噪音或背后双星系统的相互屏蔽产生的假主动信号。哈佛大学天体物理中心的乔伊·罗德里格斯进行了独立观察。Rodriguez和他的团队证实了TESS通过斯皮策望远镜观测到的TOI-700d行星的真实存在。
我和我的学生Gabriel engelmann-Sousa使用我们的建模软件来确定TOI-700d星球上可能的气候类型。因为我们不知道行星的大气层中可能存在何种气体，所以我们使用气候模型来分析其表面支持海洋存在的气体成分。在我的长期合作者埃里克·沃尔夫(Eric Wolff)的帮助下，恩格尔曼-苏萨测试了多种大气成分，包括目前地球的大气成分(77%氮气，265，438+0%氧气，甲烷和二氧化碳)，27亿年前地球的大气成分(主要是甲烷和二氧化碳)，甚至35亿年前火星上可能存在的大气成分(大量二氧化碳)。
基于我们的模型，我们发现，如果TOI-700d的大气中含有甲烷、二氧化碳或水蒸气，它可能是一颗宜居星球。现在我们的团队需要通过詹姆斯·韦伯太空望远镜来证实这些假设。
生活在像黄石国家公园地热盆地这样恶劣环境中的细菌为寻找其他星球上的宜居区域提供了线索。
新奇世界及其气候
美国国家航空航天局团队完成的气候模拟显示，类似地球的大气和气体压力不足以实现其表面液态水的存在。如果我们向TOI-700d排放等量的温室气体，地表温度仍将在零度以下。
目前，在我们地球的大气层下有海洋，因为我们的恒星比TOI-700更大更亮。有一点是肯定的:我们团队的所有模型都表明，那些小而暗的恒星周围的行星的气候与我们在地球上看到的完全不同。
系外行星领域正处于从发现它们到了解其大气特征的过渡时期。在天文学历史上，新技术带来了宇宙的新发现，包括像热木星和小海王星这样的惊喜，这些都是我们太阳系没有的。在这个阶段，需要对这些行星的大气进行观测，看它们是否具备支持生命活动的必要条件。
参考数据
1.维基百科全书
2.天文术语
翻译:宜兰
作者:RAVI KUMAR KOPPARAPU
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