系外星球上的闪电
2018-11-19 08:53:58    《中国中学生报》

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  闪电是一种稍纵即逝的现象, 它能塑造行星的大气层,甚至激发 出生命。闪电对研究大气成分具有 重要的价值。研究学者迫切想知道 更多关于其他星球是否也有闪电的 可能性,这不仅仅是因为它影响了 太空项目所使用的技术装备,更是 因为它是寻找外星生物存在证据的 一个重要线索。
  
  1979 年 3 月 5 日,“旅行者” 号航天器疾驰经过木星,并发送回 来一幅带有颗粒的快照,所拍内容 先前只在地球上看到过:闪电爆发。 证明这种大气中的奇观并非地球所 独有。
  
  闪电是一股由极速的电子形成 的大气层规模的电火花,有大气层 就会有闪电。在此次发现后,航天 器在我们太阳系的其他星球也观察 到闪电:从金星云层的顶部到土星 的卫星泰坦,尤其是土星本身,那 儿的电风暴如此巨大和光亮,甚至 白天都光芒四射。
  
  同 样, 在 浩 瀚 的 银 河 系 千千万万系外行星的天空中,肯定 有强大的电流爆裂。不过,迄今尚 未得到证实。苏格兰圣安德鲁斯大 学的德国物理学家克里斯蒂安·海 林想确认数十万光年远的外星闪电, 但由于我们还没有比光速更快的交 通工具,所以她只能用功能日益强 大的天文望远镜来观察。
  
  这样的搜索观察很重要,因为 尽管闪电来去匆匆,瞬间即逝,但 是电爆裂会改变其周围空气的构造。 实际上,闪电的作用很巨大,它正 是生命自身最为重要的组成部分。
 
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  一切形式的闪电都起始于云层, 所以海林的研究也是如此。她总是 很喜欢研究她所谓的“微物理学”, 这是一种用肉眼看不见的微小尺度 上的微细颗 粒的相互作 用。2001年, 博士后海林 研发出名叫 “漂移”的 计算机模 型。 描 述 在重力作用 下,微细颗 粒在云层中 涨落起伏的 运动状况。 她逐渐了解到建立模型对于刚开始 研究闪电的新手非常重要。
  
  海林使用计算机模型模拟灰尘在褐矮星的大气层中的旋转和卷涡 运动。褐矮星是气态构造,它尺寸 太大,温度太高,不能归于行星, 可是它的尺寸和温度又算不上恒星。 通过研究这些“不合格的恒星”所 发出的光,天文学家可以得知它们 的构造成分。到目前为止,天文学 家们已经发现了许多熟悉的分子, 如氧和二氧化碳,以及硅和铁矿物 质。
  
  使用模型“漂移”,海林发现 这些分子能形成她所谓的“宝石云 彩”,这是因为作为云彩构造成分 的硅酸盐和金属会使云彩光亮四射, 五彩缤纷。在她的模型中,云彩中 的大气气体有时会凝结在闪闪发光 的尘埃颗粒上,并使颗粒尺寸增大 至数毫米的尺度。这里正是人们感 兴趣的地方,因为这些颗粒经常发 生碰撞,产生出闪电爆发的要素—— 电荷。
  
  在我们地球上,风暴云是由带 电的水滴和冰雹组成的。但是水并 不是产生闪电的唯一因素,它只不 过是携带电子的媒介。在猛烈的火 山爆发之后,翻转卷涡的火山灰也 会带电。
 
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  这就为闪电搭建了舞台。不论 是来自“宝石云彩”,或水滴,还 是火山灰,这些云层内的不同电荷都创造出电场。任何自由电子会极 速前进奔向正电荷一侧,正如在地 球的引力场中的球体会下落一样。 在获得相互碰撞、“下落”和倍增 的足够电子后,闪电就形成了。
  
  海林的研究显示,褐矮星的闪 光云彩,也会创造出这样的电荷。 2009年,她感到疑惑:是否这些充 满灰尘的云彩正是外星闪电风暴产 生的基础。
  
  也在这一年,天文学家们开始 发现太阳系外的众多行星。系外行 星和褐矮星在许多方面存在差异, 但是就海林的研究目的来说——云 层和云层内发生的情况,行星和褐 矮星是很相似 的。当在地球上 都不能直接见到 这两种星体时, 研究人员便可使 用当今的天文望 远镜来确定它们 大气层的化学组 成。利用这些数 据,模型“漂移” 可揭示出气态的 系外行星大气层 也能产生闪光的 宝石云彩。
  
  在圣·安德 鲁斯大学,海林 组建了一个被称为 LEAP(生命、电、 大气、行星)的研究团队。其目标 是探索在这些新的世界中是否存在 闪电,并为其他人研究系外星球闪 电打基础。
  
  首先搞清楚一阵闪电是如何从 翻旋的尘埃中产生的,这是海林计 算机模型的关键任务。幸运的是在 地球上存在着太阳系外云彩的模拟 物。海林说:“令人兴奋的是它们 的组成与我们知道的火山云的组成 是类似的。”
  
  2013年,慕尼黑大学的火山学 家科拉多·西马里利在实验室中通 过极高压力把尘埃推进小型玻璃管
  
  的方法再现出闪电。他用慢镜头阐 明实验室制造闪电的过程。在屏幕 上闪烁的是从加压玻璃管内释放出 带电的黑色颗粒状水雾(如同消防 水管中喷出的水),表现出一段一 厘米长的白色纹理。
  
  将这些实验室的数据输入模型 “漂移”,海林发现闪电能在气态 的系外行星和褐矮星上发生,呈现 如同美国帝国大厦尺度的带状。
  
  使用与“宝石云彩”类同的材 料由西马里利制造的实验室闪电说 明,当尘埃快速运动时,最经常出 现的闪电像流光。这意味着闪电最 有可能出现在行星上,并伴有来自主恒星的大量光和辐射以产生风。
  
  宝石云彩及其伴随的闪电存在 的普遍性超出了海林的想象,她确 定外星闪电会在贯穿宇宙的环境中 闪烁。但是她该如何区分出外星闪 电?因为系外星球离我们太远,无 法直接观察,所以这不单纯是发射 一个太空探测器去测量或 指挥哈勃望远镜去接近目 标的简单问题。
  
  为了搞清楚如何寻找 太阳系外闪电的真正证据, 海林把“漂移”的编码与 另一个大气模型“凤凰” 相结合,此模型是由汉堡
  
  大学的天体物理学家研发的。“凤凰” 能将“漂移”模型模拟的单个云彩 放置于整个行星的背景上。采用漂 移-凤凰的结果,海林弄清闪电会 在各自的大气层中留下怎样的痕迹。 结果是,不论在地球上还是在其他 地方,凡是发生闪电的地方,甲烷 和一氧化碳的含量都略高。
  
  当今的天文台着重获取大气层 的重大特性,而对收集闪电留在系 外世界上的化学物遗迹则不够敏感。 当人们发射詹姆斯·韦伯太空望远 镜时,就会幸运地看到关于系外行 星更有说服力的情景。这种独特的 景色将会使天文学家们见到一个电 爆的世界。但这 并不是发现闪电 的特征标记的全 部意义所在。 更引人注 目的是,闪电可 能是孕育生命 的关键因素。60 年前,由生物化 学家斯坦利·米 勒和哈罗德·尤 里所做的实验证 明,如果你把从 地球上找到的潮 湿的混杂在一起 的成分——水、 氨、甲烷、氢气加上电火花,你便 能得到氨基酸——已知所有生命的 基础构件。
  
  但这并不意味着闪电等于生命, 两者相差甚远,但闪电却是寻找生 命现象的关键线索。
  
  摘自 奥秘

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