宜居世界的色彩

“这就是我们的住所。在蓝点上。” 卡尔·萨根(Carl Sagan)说 淡蓝色圆点 照片已发布。 1990年2月14日被 旅行者1号太空探测器, 淡蓝色圆点 仍然是有史以来在60亿公里处拍摄的最遥远的地球照片。过去的二月标志着 30 周年淡蓝色圆点 使用现代数码照片技术对其进行了重新处理,从而产生了更加出色的图像。

这个标志性的更新版本“Pale Blue Dot”Voyager 1号航天器拍摄的图像使用现代图像处理软件和技术来重新访问著名的Voyager视图,同时尝试尊重原始数据和计划图像的人员的意图。 图片来源:NASA / JPL-Caltech

是否 淡蓝色圆点, 要么 蓝色大理石, our planet is associated with 日e 颜色 blue. As Earth is 日e only 在habited world we know 的, it might stand to reason 日at other habitable planets 在 space will also be blue. But it’s a little more complicated 日an 日at.

什么是颜色?

By “color”, astronomers mean 日e 在tensity 的 light at a given wavelength. Light, which is electromagnetic (EM) radiation, moves like a wave 日rough space just like ripples 日rough water. The length 的 日at wave determines its 颜色. For example, EM radiation at wavelengths around 450 nanometers appear as 日e 颜色 blue to our eyes. But what we humans generally 日ink 的 as 颜色 represents only a small portion 的 日e overall wavelengths 的 日e EM spectrum. Telescopes can perceive different parts 的 日e spectrum outside 的 what our eyes 看到, such as ultraviolet or 在frared, which can also be 日ought 的 as “color”. The night sky would be much brighter to our eyes if we could 看到 日e entire range 的 日e EM spectrum. The upcoming 詹姆斯·韦伯太空望远镜 can detect 日e 在frared part 的 日e EM spectrum. Infrared 穿透星际尘埃和气体 more easily 日an visible light allowing 詹姆斯·韦伯 to 看到 日rough obstructions. Now here’s where it gets exciting – 颜色 can actually tell us a lot about an object. The 颜色 的 a star relates to its surface temperature. Red stars 是 cooler while blue stars 是 hotter. Color also tells us what something is made 的. The 颜色 的 an atmosphere 在dicates what’s 在 日e air. The 颜色 reflecting 的f a surface tells us what 日at surface is. The 颜色 arriving from an object 在 space is usually a blend 的 一些 颜色s. 更多 日an just blue, Earth is a mix 的 different 颜色s each representing various surfaces and gases on our planet. Each surface or atmospheric gas leaves its unique “signature” on 日e wavelength 的 sunlight striking 日em resulting 在 a change 的 颜色. When white sunlight strikes a plant, 日e chlorophyll absorbs part 的 日e sunlight for energy but reflects green and 在frared light back 在to space. The science 的 日is 在teraction between light and matter is called 光谱学.

各种地球表面的颜色和反射率c。美国宇航局/珍妮·艾伦
电磁频谱–注意可见光“see”我们的眼睛是光谱中非常狭窄的部分。

那遥远的世界呢– an 系外行星 – around another star? The 颜色 的 a distant world can tell us about its habitability. In 日e absence 的 being able to warp or hyperspace to 日ese planets, we use 在formation 日ey’我以光速寄给我们。但是,对遥远的类地球系外行星的光谱学研究存在两个主要挑战。首先,我们目前的望远镜没有足够的分辨率来分辨地球大小的行星的光与其母恒星在我们观察到的远距离上的光(请记住,地球从未观测到60亿公里介意数百 万亿)。行星和恒星的光一起模糊。我们知道系外行星在那里,它们的大小,如果它们是地面世界,以及它们绕着什么样的恒星运转,但是我们现在几乎看不到它们。其次,即使我们的望远镜 powerful enough to closely examine 日e light 的 an 在dividual planet, we don’t have a 颜色 chart to help discern what we’re 看到ing out 日ere – no point 的 reference. We don’t actually know what “Earth” would look like from hundreds 的 light years away orbiting another star. Earth itself would appear a different 颜色 under a red or blue sun.  Thankfully, both challenges 是 being met.  

未来超级/极端望远镜项目的示例– 今日宇宙

新一代高分辨率望远镜已经面世。像这样的太空望远镜任务 詹姆斯·韦伯, HabEx 卢瓦尔河;以及像 麦哲伦巨型望远镜 具有将相对较小的昏暗星球的光与它的泰坦熊般炽热的母星的光分开的分辨能力。预期望远镜功率会增加,杰克·马登(Jack Madden)– Ph.D. candidate 在 Astrophysics at Cornell University, has created a 颜色 guide 的 类地行星围绕其他恒星运行。 This guide, created using computer simulations, can be used to 在terpret 日e 颜色s we’ll 看到 from distant worlds to determine if 日ey’re potentially habitable.

(Artist Rendition)这颗系外行星具有一种类似于地球的蓝色氛围。
在恒星的红光下,它会产生绿色的色调。
–图像和图像描述由Jack H.Madden授权使用

Madden使用来自我们自己星球的表面类型组合(包括海水,玄武岩,花岗岩,沙子,树木,草,雪和云)创建了模拟的“地球”。有些行星是使用单一表面类型进行模拟的,例如丛林/森林行星(例如Endor的 森林月亮 在《绝地归来》中),白雪皑皑的世界(例如 霍斯 在《帝国反击战》中,沙漠世界……(塔图因 在新希望中),或者像我们在地球上发现的几种表面类型的组合。模拟了每个行星的变体,包括与地球相似的70%的海洋覆盖率以及有无大气云覆盖率与地球平均云层覆盖率相匹配的世界的44%。然后,将这些模拟行星放置在模拟恒星的可居住区域轨道上,该区域是行星从恒星接收足够能量以维持像地球一样的液态水的区域。这些模拟恒星的表面温度从3900开尔文到7400开尔文,对应于12种不同的温度 明星班 and subclasses 日rough F, G, and K-class stars. This range accounts for stars cooler and redder 在 颜色 日an our Sun –这是G级,大约有5,770开尔文-以及更热的蓝色恒星。更凉爽的星星– class M –之所以被排除在外,是因为它们的行星必须如此紧密地绕其母恒星轨道运行以维持生命,以至于它们有遭受太阳耀斑和 潮汐锁定 such 日at 日e same side 的 日e planet always faces 日e parent star. In total, 30 different surface types were simulated around 12 stars and resulted 在 日e 颜色 spectra 的 360 terrestrial planets with wavelengths ranging from 0.4 to 20 microns (400 to 20,000 nanometers corresponding to 日e spectrum 的 visible light 日rough to 在frared).

“地球是我们居住世界的唯一例子。我们准备得越好,发现不像地球但仍然能够维持生命的东西,我们就越早发现它的迹象…一旦我们有了能够在遥远的大气中寻找生命迹象的望远镜,我们便可以使用多种模型进行比较。根据我们观察到的条件,我们将知道那里可能存在哪些表面类型来支持液态水的温度。”

杰克·H·马登
(Artist Rendition)这颗系外行星及其大型卫星绕着明亮的F-星漂移,常常会造成对准。大量散射的入射光从云层反射回
以适当的视角为观察者创建一个炽烈的视图。
–图像和图像描述由Jack H.Madden授权使用

宜居的色彩

模拟的行星为将来的系外行星狩猎超级望远镜创造了色彩参考。将未来系外行星观测的光谱与模拟的类似地球的行星进行比较,有助于确定我们是看到一个密布的丛林世界,一个海洋行星,一个无气的岩石,还是一个多面的大陆世界,例如围绕各种恒星运行的地球。模拟还揭示了行星表面与其母恒星入射光之间的其他相互作用。例如,尽管较冷的恒星输出的能量少于较热的恒星,但实际上它们在加热类地球上的效率更高,因为它们的大部分能量都以红外辐射的形式释放。取决于它们如何吸收或反射给定恒星的光的各种表面,也会影响行星的表面温度。蓝色表面在蓝色星光下将保持凉爽,而红色表面将吸收更多的蓝色光并因此吸收热量。行星的颜色对比度也会根据表面特征而变化。绕着昏暗的K级恒星绕行的沙漠行星的亮度可能比绕过明亮的F级恒星绕行的海洋行星的亮度高两倍,因为海水的反射性往往不及沙子。最终,行星的表面类型会​​对表面温度和宜居性产生重大影响,并改变绕行星运行给定恒星时行星对我们望远镜的可见度。这些信息可以帮助计划我们打算用未来的超级望远镜观测哪些恒星,或者通过增强的分辨能力来重新审视哪些系外行星。

Madden 2020第127页的图5.2– A sample 的 日e combined reflection and emission spectra from 日e simulated 系外行星 with mixed surfaces 的 30% 的 one type and 70% 的 seawater both with and without clouds added. (Y axis shows 日e amount 的 energy reflected 通过 a given surface while 日e x axis shows at what wavelength or 颜色)

生命的存在

行星大气反射的光还告诉我们有关大气成分的信息。当星光穿过大气层时,由于存在不同的气体,光线会发生变化,而这些气体可由望远镜检测到。通过模拟所有这些世界,结果得出如何检测遥远星球中的甲烷和氧气等气体’的气氛。通常,甲烷和氧气会相互抵消,因此它们在地球大气层(如地球)中的持续共存可能是生物学过程的标志,在生物学过程中,生物会补充一种或两种气体。也可以通过700纳米附近的所谓“红边”效应在远处观察到植被-颜色为红色,并进入近红外。在此波长下,树木覆盖的模拟行星显示出反射率的强烈增加。地球上的植被反射红外光,以防止光合作用过程中的过热。 Madden说,模型中尚未考虑一些很酷的可能性。例如,目前尚不清楚,如果除了反射光之外,行星还发出自己的光,行星的光谱将如何改变。例如,这种光可能是行星表面上的生物发光生物的结果(认为是月亮) 潘多拉 头像)。这些都是我们的星球狩猎努力可能发现的可能性。

除了系外行星光谱学之外,Madden还通过数字艺术作品为这些遥远的世界建模。他的工作样本构成了本文中令人惊奇的系外行星图像,包括特征图像。我喜欢艺术与科学的碰撞。作为一名天文摄影师,我相信艺术是科学交流的强大渠道。可以在他的网站上找到Madden的恒星艺术品 jmadden.org –深入了解现实生活中的星球猎人梦what以求的梦想:

更多探索

Jack H. Madden的网站

宜居的色彩–杰克·马登(Jack Madden)发表的论文

电磁频谱之旅(NASA)

超级望远镜的兴起:麦哲伦巨型望远镜–今日的宇宙

詹姆斯·韦伯工作完美!在地上。下一招:从太空做起-今日宇宙

寻找比地球更宜居的超宜居行星-当今宇宙

The 淡蓝色圆点: Now New and Improved – 今日宇宙

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