天文学数据和寻找宜居世界

我们得到的图像实际上只是一个大的黑白条纹,但那是我们的红外彩虹。 图片来源:Lustig-Yaeger、May 和 Mayorga

1610 年,伽利略·伽利莱通过望远镜观察并观察到:“我看到木星伴随着三颗恒星,它们的体积很小,完全看不见。行星看起来非常圆,就像小满月一样。” 事实上,他用早期望远镜放大的眼睛看到的是我们太阳系最大行星木星的最大卫星。 伽利略最终确定了欧罗巴、卡利斯托、木卫一和木卫三,它们现在有时被称为木星的“伽利略”卫星。

今天,与天文学家使用的更大、更强大的仪器相比,伽利略的望远镜似乎还很简陋。 近日,人类建造和发射的最强大的太空望远镜向公众发布了第一张图像。

对于任何对天文学和天体生物学感兴趣的人来说,像韦伯太空望远镜这样的任务意味着什么? 韦伯望远镜不是为寻找生命而设计的,但它可以解开有关系外行星可居住性的重要信息,从而揭示太阳系以外生命的潜力。 但是对于今天的科学家来说,通过像韦伯这样的望远镜“观察”实际上意味着什么? Jacob Lustig-Yaeger、Erin May 和 Laura Mayorga 是约翰霍普金斯大学应用物理实验室的三位早期职业科学家,他们帮助解释了当今天文学家的生活。

对于天体生物学家来说,来自像韦伯这样的太空望远镜的数据实际上是什么样的?

该望远镜有多种操作模式可供天文学家用于不同的天文研究。 一些模式是成像,可以捕捉各种物体的惊人细节,类似于哈勃太空望远镜观察到的星系和星云。 但对于研究其他行星系统(称为系外行星)中的系外行星的天文学家来说,我们对任务的光谱能力特别感兴趣。


当我们观察系外行星时,通常我们会在行星穿过恒星前方时寻找光线的倾角,而这种倾角会根据光线的颜色而改变大小。 图片来源:Lustig-Yaeger、May 和 Mayorga

你有没有见过彩虹在你的墙上跳舞,因为光线透过你的窗户照进来? 那是光谱! 光谱是一种将光分解成所有颜色的方法,这样我们就可以更好地研究它。 我们最熟悉的七彩彩虹是当你打破阳光时会发生的事情,这对你的眼睛是可见的。 但光也由更多的“颜色”组成,而不仅仅是我们的眼睛所能看到的。 这台望远镜寻找红外光的“彩虹”,这只是热量——让太阳或热炉感觉温暖的光类型。

不过,望远镜不是您的典型相机:它的相机由像素组成,有点像一堆放在网格中的桶,就像一个冰盘。 在仪器将光分解成红外彩虹后,每个桶开始充满特定颜色的光。 每个桶计算进入它的光量,直到它填满,或者我们告诉望远镜停止收集光。

实际上,实际数据只是一堆数字,告诉我们望远镜在我们想要收集的特定颜色中观察到了多少光。 我们得到的“图像”实际上只是一个大的黑白条纹,但那是我们的红外彩虹! 对于系外行星,我们经常一张接一张地拍很多这样的照片,看看当系外行星穿过它的恒星前面或后面时,这些颜色是怎样随时间变化的。

随着数据的收集,天文学家在未来几年日复一日的工作是什么样的?

简而言之,如今的天文学家是数据科学家,他们既分析来自望远镜的数据,又开发和运行发生在宇宙所有不同角落的天体物理过程的模拟。 大多数天文学家使用 Python 编程语言进行日常工作,尤其是处于职业生涯早期的科学家。 对于系外行星天文学家,我们的大多数工具都是专门为系外行星数据分析和建模而设计的定制软件包,有时甚至是为我们正在使用的特定望远镜定制的,或者为我们正在研究的系外行星类型定制的。

天文学数据和寻找宜居世界
接下来,天文学家使用计算机模型分析系外行星的光谱,以了解系外行星大气的独特特征怎样导致望远镜观测到的东西。 图片来源:Lustig-Yaeger、May 和 Mayorga

随着望远镜在未来几年收集系外行星数据,天文学家将通过许多步骤将原始望远镜数据转化为关于系外行星及其大气性质的新知识。 如前所述,这些数据以红外彩虹的一系列单独图像开始,当系外行星在其恒星前方或后方穿过时,每幅图像一个接一个地拍摄。 但是每个桶计数的光量也伴随着很多噪音。 可以把这想象成在黑暗中自拍:照片有点颗粒感。 那是因为它充满了噪音和很少的光! 观测天文学家花费大量时间试图找到所有噪声源,并想出巧妙的方法来使用定制的计算机软件工具来消除它。 在我们从每个红外彩虹图像中去除噪声之后,我们可以创建我们所说的光曲线,这是一种显示每种颜色的光怎样随时间变化的方法。

当我们观察系外行星时,通常我们会在行星穿过恒星前方时寻找光线的倾角,而这种倾角会根据光线的颜色而改变大小。 当那颗行星从恒星前方穿过时,一些恒星光会穿过行星的大气层并与构成它的气体和分子相互作用。 我们可以使用有关该倾角大小的信息来告诉我们地球大气层中有什么。

接下来,天文学家使用计算机模型分析系外行星的光谱,以了解系外行星大气的独特特征怎样导致望远镜观测到的东西。 从地球上数十年的实验室测量中,我们准确地知道单个分子怎样与光相互作用,并且每个分子都拥有自己独特的光谱指纹。 也就是说,每个分子都以略微不同的方式与光相互作用,这使我们能够在观察中识别它们。 利用这些原理,天文学家对包含不同气体混合物的数百万种不同可能的大气进行计算机模拟,以确定哪种分子混合物与望远镜测量的光谱具有最佳一致性。

当然,在完成所有分析之后,天文学家还没有完全完成。 与任何优秀的科学冒险一样,最后的步骤是将所有发现写成可以同行评审、发表在学术期刊上并在世界范围内共享的手稿。