对太阳系外的系外行星研究可以帮助科学家回答关于我们在宇宙中的位置，以及生命是否存在于地球之外的重大问题。但是这些遥远的行星非常微弱，很难直接成像。一项新的研究使用地球作为系外行星的替代物，并表明即使光线非常微弱——哪怕只有一个像素——也仍然有可能测量遥远星球的关键特征。这项新研究使用的数据来自美国宇航局地球多色成像相机(EPIC)，该设备安装在美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration)的深空气候观测站(Deep Space Climate Observatory，简称DSCOVR)卫星上。DSCOVR在拉格朗日点1处绕着太阳转，这是一个特殊的轨道，为EPIC提供了对我们的家园行星被太阳照射的表面持续观察。
这些图像显示了在红外线、可见光和紫外线范围内的10种不同波长的光线照射地球的一面;这些图像具有代表性的颜色，因为并不是所有的波长都能被人眼看到。每一种波长都突出了这个星球的不同特征。图片：NASA/NOAA
EPIC自2015年6月以来一直在持续观测地球，绘制了多波长行星表面精细地图，并对气候和天气的研究做出了贡献。这台史诗性的仪器从地球上捕捉10种不同波长或颜色反射光。因此每次EPIC对地球“拍照”时，它实际上会捕捉10张照片。这项新研究将每幅图像平均成一个亮度值，或者相当于每个波长的一张“单像素”图像。一个单像素地球快照提供关于地球表面的信息非常少。但在这项新研究中，作者分析了一个数据集，该数据集包含了在较长一段时间内每天多次拍摄的10个波长的单像素图像。尽管整个行星已经被缩减到一个光点，作者还是能够识别大气中的水云并测量行星自转速度。
发表在《天体物理学》(Astrophysical Journal)上的这项研究表明，同样的信息可以从对系外行星单像素观测中得到。美国加利福尼亚帕达拿娜(Pasadena)的美国喷气推进实验室的大气和气候科学家乔纳森·江(Jonathan Jiang)说：使用地球作为外星球代理的好处在于，如果我们使用来自遥远的、实际的外星球的数据，我们可以验证从单像素数据得到的结论，如果我们正在使用来自遥远的、实际的外星球的数据的话，我们就不能做到这一点。
插图显示了从美国宇航局的地球多色成像相机(EPIC)仪器(顶部)的增强彩色图像。EPIC以10个波长的波段观测这颗行星，这里显示的是10幅具有代表性的彩色图像(中间)。一项新的研究将每个波长的数据平均成一个亮度值，或者相当于一个“单像素”图像。这使得研究作者能够模拟观测到一个遥远的系外行星。图片：NASA/NOAA/JPL-Caltech
微小的光点
江的女儿特蕾莎上小学时，他为她和她的朋友们组织了一场观星活动，江指着星星，告诉他的女儿太阳也是一颗恒星，有行星围绕着其他恒星运行，就像行星围绕太阳运行一样。她向父亲询问更多的信息，询问科学家们如何能从天空中这些微小的光点中了解到这些遥远的世界。孩子们会问很多好问题，这个问题一直萦绕在我的脑海中——如果我能把一颗系外行星看成是一个很小的光点，那么我能看到云彩、海洋和陆地吗？他的职业生涯始于天体物理学，但在他的博士生涯中，他决定将他的计算机和物理建模技术应用到地球的气候中。现在他正在利用气候数据来帮助研究系外行星。系外行星比恒星要暗得多，也更难被发现。
例如地球的亮度比太阳弱100亿倍，只有大约45颗系外行星通过直接成像被发现，它们都比地球大得多。大多数已知的系外行星(超过3700颗已被证实)是通过诸如凌日法之类的技术间接探测到，在这种技术中，科学家们观察到一颗恒星因系外行星在恒星表面的凌日而轻微变暗。这台“史诗”设备从地球阳光照射的那一侧捕捉到10种不同波长或颜色反射光，因为不同的材料将不同波长的光反射到不同的程度——例如植物主要反射绿光。例如像火星这样的微红色行星，与覆盖着冰的行星相比，会有非常不同的颜色轮廓。
这张照片显示了地球被太阳照射的那一面，由德斯科vr卫星上的史诗仪器观测到10个波长。每幅图像都以不同的波长显示了相同的地球快照。在每个图像的上方都显示了特定的波长。图片：NASA/NOAA
这项新的研究表明，通过观察一个具有明显特征的行星——如海洋和大陆——可以通过在反射光中观察到重复的模式来测量行星自转速度。这种模式将产生于那些以有规律的节奏进入视野行星特征。例如每24小时，澳大利亚和太平洋就填满了EPIC的视野，大约12小时后，南美洲和大西洋就填满了这个画面，非洲和印度洋在其间经过。这种改变光线的模式日复一日地重复着。在这篇新论文中，作者们展示了他们可以检测到这种重复周期，从而确定行星的自转速度，或者说是行星一天的长度。行星的自转速度可以揭示关于行星是如何形成的以及何时形成信息，这是用目前方法来衡量一个特别困难的性质。
JPL系外行星科学家Renyu Hu是这项新研究的合著者说：人们已经讨论使用这种方法来测量系外行星的自转速度已经有一段时间了，但还没有证据表明这种方法是可行的，因为我们没有任何真正的数据，我们已经表明，在每一个波长中，24小时的周期出现了，这意味着这种测量行星旋转方法是可靠的。然而作者指出，这种方法的有效性将取决于地球的独特特征。在一个基本上同质的行星上，一个日轮模式可能是不可见的。例如，金星上覆盖着厚厚的云层，表面上没有海洋，因此可能不会出现持续一整天的模式，也可能不会清晰到足以在一像素的图像中观察到。像水星和火星这样的行星也很有挑战性，像环形山这样的行星特征也有助于形成一种可以用来测量自转周期的模式。
这个动画显示了史诗仪器在10个波长中的一个所做的一系列观察。在这种波长下，大陆和海洋之间的区别特别明显。根据一项新的研究，这颗行星的自转所产生的重复图案可以被一架强大的望远镜观测到，它可以在许多光年之外观测到这颗行星。图片：NASA/NOAA
成像系外行星
先前的研究利用地球作为系外行星替代，来研究从远处可以得到什么样的行星性质，但是之前的研究并没有研究过这么多的波长带。这也是第一次这样的研究来捕捉这么大多数据集，持续时间很长：它使用了超过27个月的观测数据，EPIC每天拍摄13次。直接观察的系外行星的数据远低于所使用在新研究中，但研究人员报告说：衡量一颗系外行星的自转速率超过90%信心需要拍摄，每个轨道周期只有两到三倍(也就是说“天”在特定的系外行星)大约七个轨道周期。天文学家需要观察一颗系外行星以确定其旋转速率的时间也取决于系外行星数据中包含了多少多余的光。
这张照片由美国宇航局的旅行者1号宇宙飞船从海王星轨道外拍摄，显示了地球在37亿英里(59亿公里)之外的样子。地球作为一个非常小的光点出现在图像的右半部分，用箭头表示。这幅被称为“淡蓝色圆点”的图片展示了一颗地球大小的行星从遥远地方看起来是多么的小。图片：NASA/JPL-Caltech
史诗般的数据提供了一个异常清晰的地球视图，基本上不受其他光源的影响。但直接成像系外行星的一个主要挑战是，它们比它们的母恒星要暗得多。来自附近恒星的光可以很容易地将系外行星的光淹没，使后者变得不可见。由于来自行星的信号与来自恒星的光相互竞争，可能需要更长的时间才能分辨出一种能够揭示行星自转速度的模式。美国国家航空和宇宙航行局正在研究下一代望远镜的潜在设计，这些望远镜可以直接成像地球大小的系外行星。随着系外行星直接成像领域的发展，江博士并没有完全忘记女儿十多年前问他的问题。如果科学家们能够了解到遥远行星的表面特征，那么他们能回答一个更大的问题吗?
博科园-科学科普｜参考期刊：天体物理｜来自：NASA
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