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        系外星球上的閃電

        2017-07-05 03:50:36
        奧秘 2017年6期
        關(guān)鍵詞:海林外行星大氣層

        自然界最震撼的閃電奇觀之一。閃電可出現(xiàn)于潮濕的云層,噴發(fā)的火山灰或太陽系外的世界。圖為智利pccvc火山群的閃電照亮了天空。

        閃電是一種稍縱即逝的現(xiàn)象,它能塑造行星的大氣層,甚至激發(fā)出生命。閃電對(duì)研究大氣成分具有重要的價(jià)值。研究學(xué)者迫切想知道更多關(guān)于其他星球是否也有閃電的可能性,這不僅僅是因?yàn)樗绊懥颂枕?xiàng)目所使用的技術(shù)裝備,更是因?yàn)樗菍ふ彝庑巧锎嬖谧C據(jù)的一個(gè)重要線索。

        1979年3月5日,“旅行者”號(hào)航天器疾馳經(jīng)過木星,并發(fā)送回來一幅帶有顆粒的快照,所拍內(nèi)容先前只在地球上看到過:閃電爆發(fā)。這證明這種大氣中的奇觀并非地球所獨(dú)有。

        閃電一是股由極速的電子形成的大氣層規(guī)模的電火花,有大氣層就會(huì)有閃電。在此次發(fā)現(xiàn)后,航天器在我們太陽系的其他星球也觀察到閃電:從金星云層的頂部到土星的衛(wèi)星泰坦,尤其是土星本身,那兒的電風(fēng)暴如此巨大和光亮,甚至白天都光芒四射。

        同樣,在浩瀚的銀河系中千千萬萬系外行星的天空中肯定有強(qiáng)大的電流爆裂。不過,迄今尚未得到證實(shí)。蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)的德國物理學(xué)家克里斯蒂安·海林想確認(rèn)數(shù)十萬光年遠(yuǎn)的外星閃電,但由于我們還沒有比光速更快的交通工具,所以她只能用功能日益強(qiáng)大的天文望遠(yuǎn)鏡來觀察。

        這樣的搜索觀察很重要,因?yàn)楸M管閃電來去匆匆,瞬間即逝,但是電爆裂會(huì)改變其周圍空氣的構(gòu)造。實(shí)際上,閃電的作用很巨大,它正是生命自身最為重要的組成部分。

        一切形式的閃電都起始于云層,所以海林的研究也是如此。她總是很喜歡研究她所謂的“微物理學(xué)”,這是一種用肉眼看不見的微小尺度上的微細(xì)顆粒的相互作用。2001年,博士后海林研發(fā)出名叫“漂移”的計(jì)算機(jī)模型。描述在重力作用下,微細(xì)顆粒在云層中漲落起伏的運(yùn)動(dòng)狀況。她逐漸了解到建立模型對(duì)于剛開始研究閃電的新手非常重要。

        海林使用計(jì)算機(jī)模型模擬灰塵在褐矮星的大氣層中的旋轉(zhuǎn)和卷渦運(yùn)動(dòng)。褐矮星是氣態(tài)構(gòu)造,它尺寸太大,溫度太高,不能歸于行星,可是它的尺寸和溫度又算不上恒星。通過研究這些“不合格的恒星”所發(fā)出的光,天文學(xué)家可以得知它們的構(gòu)造成分。到目前為止,天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多熟悉的分子,如氧和二氧化碳,以及硅和鐵礦物質(zhì)。

        使用模型“漂移”,海林發(fā)現(xiàn)這些分子能形成她所謂的“寶石云彩”,這是因?yàn)樽鳛樵撇蕵?gòu)造成分的硅酸鹽和金屬會(huì)使云彩光亮四射,五彩繽紛。在她的模型中,云彩中的大氣氣體有時(shí)會(huì)凝結(jié)在閃閃發(fā)光的塵埃顆粒上,并使顆粒尺寸增大至數(shù)毫米的尺度。這里正是人們感興趣的地方,因?yàn)檫@些顆粒經(jīng)常發(fā)生碰撞,產(chǎn)生出閃電爆發(fā)的要素——電荷。

        在我們地球上,風(fēng)暴云是由帶電的水滴和冰雹組成的。但是水并不是產(chǎn)生閃電的唯一因素,它只不過是攜帶電子的媒介。在猛烈的火山爆發(fā)之后,翻轉(zhuǎn)卷渦的火山灰也會(huì)帶電。

        這就為閃電搭建了舞臺(tái)。不論是來自“寶石云彩”,或水滴,還是火山灰,這些云層內(nèi)的不同電荷都創(chuàng)造出電場(chǎng)。任何自由電子會(huì)極速前進(jìn)奔向正電荷一側(cè),正如在地球的引力場(chǎng)中的球體會(huì)下落一樣。在獲得相互碰撞、“下落”和倍增的足夠電子后,閃電就形成了。

        海林的研究顯示,褐矮星的閃光云彩,也會(huì)創(chuàng)造出這樣的電荷。2009年,她感到疑惑:是否這些充滿灰塵的云彩正是外星閃電風(fēng)暴產(chǎn)生的基礎(chǔ)。

        也在這一年,天文學(xué)家們開始發(fā)現(xiàn)太陽系外的眾多行星。系外行星和褐矮星在許多方面存在差異,但是就海林的研究目的來說——云層和云層內(nèi)發(fā)生的情況,行星和褐矮星是很相似的。當(dāng)在地球上都不能直接見到這兩種星體時(shí),研究人員便可使用當(dāng)今的天文望遠(yuǎn)鏡來確定它們大氣層的化學(xué)組成。利用這些數(shù)據(jù),模型“漂移”可揭示出氣態(tài)的系外行星大氣層也能產(chǎn)生閃光的寶石云彩。

        在圣·安德魯斯大學(xué),海林組建了一個(gè)被稱為LEAP(生命、電、大氣、行星)的研究團(tuán)隊(duì)。其目標(biāo)是探索在這些新的世界中是否存在閃電,并為其他人研究系外星球閃電打基礎(chǔ)。

        1996年的照片顯示,木星表面可能的雷擊點(diǎn)北緯43°~46°之間。

        斯坦利·米勒和哈羅德·尤里在1950年代的實(shí)驗(yàn)表明,閃電是產(chǎn)生生命的關(guān)鍵因素。

        首先搞清楚一陣閃電是如何從翻旋的塵埃中產(chǎn)生的,這是海林計(jì)算機(jī)模型的關(guān)鍵任務(wù)。幸運(yùn)的是在地球上存在著太陽系外云彩的模擬物。海林說:“令人興奮的是它們的組成與我們知道的火山云的組成是類似的。”

        2013年,慕尼黑大學(xué)的火山學(xué)家科拉多·西馬里利在實(shí)驗(yàn)室中通過極高壓力把塵埃推進(jìn)小型玻璃管的方法再現(xiàn)出閃電。他用慢鏡頭闡明實(shí)驗(yàn)室制造閃電的過程。在屏幕上閃爍的是從加壓玻璃管內(nèi)釋放出帶電的黑色顆粒狀水霧(如同消防水管中噴出的水),表現(xiàn)出一段一厘米長的白色紋理。

        將這些實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)輸入模型“漂移”,海林發(fā)現(xiàn)閃電能在氣態(tài)的系外行星和褐矮星上發(fā)生,呈現(xiàn)如同美國帝國大廈尺度的帶狀。

        使用與“寶石云彩”類同的材料由西馬里利制造的實(shí)驗(yàn)室閃電說明,當(dāng)塵??焖龠\(yùn)動(dòng)時(shí),最經(jīng)常出現(xiàn)的閃電像流光。這意味著閃電最有可能出現(xiàn)在行星上,并伴有來自主恒星的大量光和輻射以產(chǎn)生風(fēng)。

        寶石云彩及其伴隨的閃電存在的普遍性超出了海林的想象,她確定外星閃電會(huì)在貫穿宇宙的環(huán)境中閃爍。但是她該如何區(qū)分出外星閃電?因?yàn)橄低庑乔螂x我們太遠(yuǎn),無法直接觀察,所以這不單純是發(fā)射一個(gè)太空探測(cè)器去測(cè)量或指揮哈勃望遠(yuǎn)鏡去接近目標(biāo)的簡(jiǎn)單問題。

        為了搞清楚如何尋找太陽系外閃電的真正證據(jù),海林把“漂移”的編碼與另一個(gè)大氣模型“鳳凰”相結(jié)合,此模型是由漢堡大學(xué)的天體物理學(xué)家研發(fā)的?!傍P凰”能將“漂移”模型模擬的單個(gè)云彩放置于整個(gè)行星的背景上。采用漂移-鳳凰的結(jié)果,海林弄清閃電會(huì)在各自的大氣層中留下怎樣的痕跡。結(jié)果是,不論在地球上還是在其他地方,凡是發(fā)生閃電的地方,甲烷和一氧化碳的含量都略高。

        當(dāng)今的天文臺(tái)著重獲取大氣層的重大特性,而對(duì)收集閃電留在系外世界上的化學(xué)物遺跡則不夠敏感。到2018年,發(fā)射詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡時(shí),就會(huì)幸運(yùn)地看到關(guān)于系外行星更有說服力的情景。這種獨(dú)特的景色將會(huì)使天文學(xué)家們見到一個(gè)電爆的世界。但這并不是發(fā)現(xiàn)閃電的特征標(biāo)記的全部意義所在。

        更引人注目的是,閃電可能是孕育生命的關(guān)鍵因素。60年前,由生物化學(xué)家斯坦利·米勒和哈羅德·尤里所做的實(shí)驗(yàn)證明,如果你把從地球上找到的潮濕的混雜在一起的成分——水、氨、甲烷、氫氣加上電火花,你便能得到氨基酸——已知所有生命的基礎(chǔ)構(gòu)件。

        但這并不意味著閃電等于生命,兩者相差甚遠(yuǎn),但閃電卻是尋找生命現(xiàn)象的關(guān)鍵線索。

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