Utseende skatt - det första beviset på exoplaneter

【ENG SUB】盛唐幻夜 05 | An Oriental Odyssey 05(吴倩、郑业成、张雨剑、董琦主演) (Maj 2019).

Anonim

Under en elegant kontorsbyggnad med ett spanskt tak i spansk stil i Pasadena, Kalifornien, skyddar tre timeworn förrådsrum mer än ett sekel av astronomi. Nedför trappan och till höger är en källare av underverk. Det finns otaliga trälådor och lådor, staplade från golv till tak, med teleskopplattor, solrosritningar och andra poster. En svag ammoniakliknande lukt som påminner om gammal film fyller luften.

Bevakar ett förråd är en kort svart dörr med ett tecken som säger "Denna dörr ska hållas stängd."

Carnegie Observatories värdar 250.000 fotografiska plattor tagna vid observatorierna Mount Wilson, Palomar och Las Campanas, som spänner över mer än 100 år. På deras heydays, Mount Wilson 60-tums och 100-tums teleskop-desto större såg sitt första ljus den 1 november 1917-var de mest kraftfulla instrument av deras slag. Varje outplånligt förändrad mänsklighetens förståelse för vår plats i kosmos. Men dessa tekniska underverk var före sin tid - i ett fall, fånga tecken på avlägsna världar som inte skulle erkännas för ett sekel.

Mount Wilson är den plats där några av de viktigaste upptäckterna om vår galax och universum gjordes i början av 1900-talet. Det är här Edwin Hubble insåg att Vintergatan inte kan vara omfattningen av vårt universum, eftersom Andromeda (eller M31) är längre bort än de mest avlägsna sträckorna i vår galax. Fotografiska plattan från 100-tums Hooker Telescope från 1923, som fångade denna monumentala realisering, blåses upp som en stor affisch utanför Carnegie förråd.

Hubble och Milton Humason, vars Mount Wilson karriär började som vaktmästare, arbetade tillsammans för att utforska universums växande natur. Med hjälp av de legendariska teleskopen, liksom data från Lowell Observatory i Flagstaff, Arizona, insåg de att galaxklasser reser ifrån varandra - och de mer avlägsna galaxerna flytta sig från varandra i högre hastigheter.

Men det finns en mycket mindre känd 100-årig upptäckt från Mount Wilson, en som var oidentifierad och oförskriven förrän nyligen. Det är faktiskt: Det första beviset på exoplaneter.

En detektivhistoria

Det började med Ben Zuckerman, professor emeritus av astronomi vid University of California, Los Angeles. Han förberedde ett samtal om kompositionerna av planeter och mindre steniga kroppar utanför vårt solsystem för ett juli 2014 symposium på inbjudan av Jay Farihi, som han hade hjälpt till att övervaka när Farihi var doktorand vid UCLA. Farihi hade föreslagit att Zuckerman talar om förorening av vita dvärgar, som är svaga, döda stjärnor som består av huvudsakligen väte och helium. Med "föroreningar" menar astronomer tunga element som invaderar fotosfärerna - de yttre atmosfärerna - av dessa stjärnor. Saken är att alla de extra elementen inte borde vara där - den starka tyngdkraften hos den vita dvärgen borde dra elementen in i stjärnans interiör och ut ur sikte.

Den första förorenade vita dvärgen identifieras kallas van Maanens Star (eller "van Maanen 2" i den vetenskapliga litteraturen), efter upptäckten Adriaan van Maanen. Van Maanen hittade detta föremål 1917 genom att upptäcka sin subtila rörelse i förhållande till andra stjärnor mellan 1914 och 1917. Astronom Walter Sydney Adams, som senare skulle bli direktör för Mount Wilson, fångade spektret - ett kemiskt fingeravtryck - av van Maanens Star på en liten glasplatta med Mount Wilsons 60-tums teleskop. Adams tolkade spektret för att vara av en F-typstjärna, förmodligen baserat på närvaron och styrkan av kalcium och andra absorberingsegenskaper med tung element, med en temperatur som är något högre än vår Sun. År 1919 kallade van Maanen det som en "mycket svag stjärna".

Idag vet vi att van Maanens Star, som är cirka 14 ljusår bort, är den närmaste vita dvärgen mot jorden som inte ingår i ett binärt system.

"Den här stjärnan är en ikon, " sade Farihi nyligen. "Det är den första av sin typ. Det är verkligen prototypen."

När han förberedde sitt tal hade Zuckerman vad han senare kallade ett "sant" eureka-ögonblick. " Van Maanens Star, som inte är känd för de astronomer som studerade den 1917 och de som tänkte på det i årtionden efter, måste vara de första observatoriska bevisen att exoplaneter existerar.

Vad har detta att göra med exoplanet?

Tunga element i stjärnans yttersta lager kunde inte ha producerats inuti stjärnan, för att de omedelbart skulle sjunka på grund av den vita dvärgens intensiva gravitationsfält. När fler vita dvärgar med tunga element i sina fotografier upptäcktes under 20-talet kom forskare att tro att det exotiska materialet måste ha kommit från det interstellära mediet, dvs element som flyter i rymden mellan stjärnorna.

Men i 1987 rapporterade Zuckerman och hans kollega Eric Becklin över 70 år efter Mount Wilson-spektret av van Maanens Star ett överflöd av infrarödt ljus runt en vit dvärg, som de trodde skulle kunna komma från en svag "misslyckad stjärna" som kallas en brun dvärg. Detta var 1990, tolkat för att vara en het, dammig disk som kretsar en vit dvärg. I början av 2000-talet hade en ny teori om förorenade vita dvärgar uppstått: Exoplanets kunde driva små steniga kroppar mot stjärnan, vars kraftfulla gravitation skulle pulverisera dem till damm. Att damm, som innehåller tunga element från den sönderdelade kroppen, skulle då falla på stjärnan.

"Bunnlinjen är: Om du är en asteroid eller komet, kan du inte bara ändra din adress. Du behöver något för att flytta dig, " sade Farihi. "Den största kandidaten är överlägset planeter att göra det."

NASA: s Spitzer rymdteleskop har bidragit till att utöka fältet förorenade vita dvärgar ombjudna av heta, dammiga diskar. Sedan starten 2004 har Spitzer bekräftat cirka 40 av dessa speciella stjärnor. Ett annat rymdteleskop, NASAs Wide-Field Infrared Survey Explorer, upptäckte också en handfull, vilket resulterade i totalt upp till cirka fyra dussin kända idag. Eftersom dessa objekt är så svaga är infrarött ljus avgörande för att identifiera dem.

"Vi kan inte mäta den exakta mängden infrarött ljus som kommer från dessa objekt med teleskop på marken, " sade Farihi. "Spitzer, specifikt, spricker bara det här vida."

Under 2007 publicerade Zuckerman och kollegor observationer av en vit dvärgatmosfär med 17 elementmaterial som liknar dem som finns i Earth-Moon-systemet. (Den sena UCLA-professorn Michael Jura, som gjorde viktiga bidrag till studien av förorenade vita dvärgar, var en del av detta lag.) Detta var ytterligare bevis på att minst en liten stenig kropp - eller till och med en planet - hade blivit sönderdelad av gravitationen av en vit dvärg. Forskare är nu överens om att en enda vit dvärgstjärna med tunga element i sitt spektrum sannolikt har minst ett stenigt skräpband - rester av kroppar som kolliderade våldsamt och aldrig bildade planeter - och förmodligen minst en stor planet.

Så, tunga element som råkade vara flytande i det interstellära mediet kunde inte redogöra för observationerna. "Omkring 90 år efter van Maanens upptäckt, sa astronomer, " Vem, den här interstellära accretionmodellen kan inte vara rätt, "sade Zuckerman.

Chasing spectrum

Inspirerad av Zuckerman blev Farihi enamored med tanken på att någon hade tagit ett spektrum med de första bevisen på exoplaneter 1917, och att en rekord måste finnas av den observationen. "Jag fick tänderna i frågan och jag skulle inte släppa, " sa han.

Farihi gick ut till Carnegie Observatories, som äger Mount Wilson teleskop och skyddar sina arkiv. Carnegie Director John Mulchaey satte frivillig Dan Kohne på fallet. Kohne grävde igenom arkiven och, två dagar senare, skickade Mulchaey Farihi en bild av spektrumet.

"Jag kan inte säga att jag var chockad, okej, men jag blev glatt blås ut ur min plats för att se att signaturen var där och kunde ses även med det mänskliga ögat, " sade Farihi.

Spekteret av van Maanens Star that Farihi begärde finns nu i en liten arkivhylsa, märkt med handskriven datum "1917 okt 24" och en modern gul klistermärke: "möjligen 1: a rekord av en exoplanet".

Cynthia Hunt, en astronom som tjänar som ordförande i Carnegies historikutskott, tog glasplattan ur kuvertet och placerade den på en tittare som tändde upp den. Spektret i sig bara ungefär 1/6 tum, eller lite över 0, 4 centimeter.

Även om plattan verkar obotlig vid första anblicken såg Farihi två uppenbara "fangs" som representerar dips i spektret. För honom var detta rökpistolen: Två absorptionslinjer från samma kalciumjon, vilket innebar att det fanns tunga element i den vita dvärgens fotosfärg, vilket indikerar att det sannolikt har minst en exoplanet. Han skrev om det i 2016 i New Astronomy Reviews.

Exoplanets och skräpskivor

Forskare har länge funnit att gravida jätte planeter skulle kunna hålla skräpbälten på plats, särskilt i unga planetets system. En ny studie i Astrophysical Journal visade att unga stjärnor med skivor av damm och skräp har större sannolikhet att ha jätte planeter som kretsar på långt avstånd från deras förälderstjärna än de utan diskar.

En vit dvärg är inte en ung stjärna, tvärtom bildar den när en låg-till-medellångstjärna redan har bränt allt bränsle i sitt inre. Men principen är densamma: Gravitationsdraget av jätte exoplaneter kan kasta små steniga kroppar i de vita dvärgarna.

Vår egen sol blir en röd jätte på cirka 5 miljarder år och expanderar så mycket att det kanske kan svälja jorden innan det blåser ut sina yttre skikt och blir en vit dvärg. Vid den tidpunkten kan Jupiters stora gravitationella inflytande vara mer störande för asteroidbältet, flingande föremål mot vår mycket dimmerare. Denna typ av scenario skulle kunna förklara de tunga elementen hos Van Maanens Star.

Spitzers observationer av van Maanens Star har hittills inte hittat några planeter. Faktum är att inga exoplaneter hittills har bekräftats i omlopp med vita dvärgar, även om man har ett föremål som tros vara en massiv planet. Andra övertygande bevis har uppstått just under de senaste åren. Genom att använda WM Keck Observatory på Hawaii meddelade forskare, inklusive Zuckerman, nyligen att de hade funnit bevis på att ett Kuiper-Belt-liknande föremål hade blivit ätit av en vit dvärg.

Forskare utforskar fortfarande förorenade vita dvärgar och letar efter de exoplaneter som de kan vara värd för. Omkring 30 procent av alla vita dvärgar vi vet om är förorenade, men deras skräpskivor är svårare att upptäcka. Jura hävdade att med massor av asteroider som kommer in och kolliderar med skräp kan damm omvandlas till gas, vilket inte skulle ha samma mycket detekterbara infraröda signal som damm.

Farihi var stolt över hur hans Mount Wilson arkivdetektivarbete visade sig. År 2016 beskrev han den historiska upptäckten i samband med ett granskningsdokument om förorenade vita dvärgar och hävdade att vita dvärgar är "övertygande mål för exoplanetrisk systemforskning".

Vem vet vilka andra förbisedda skatter väntar på upptäckten i stora observatoriernas arkiv - de skådespelare av ett kosmos som är rik på subtilitet. Visst kommer andra ledtrådar att finnas av dem som motiveras av nyfikenhet som ställer de rätta frågorna.

"Det är personlig interaktion med data som verkligen kan sporra oss för att få investerat i de frågor som vi frågar, " sade Farihi.

menu
menu