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寻找地球2.0——地外文明存在吗

来源:光明网-《光明日报》2022-09-15 10:38

  作者:郑晓晨(北京天文馆助理研究员)

  月球上有水,而且存在高含量水——近日,我国科学家对月壤研究的新发现,“解锁”了月球的无限可能——能种菜吗?能浇花吗?能供人类饮用吗?这一发现,成功勾起大家对移居地外行星的兴趣。实际上,近30年来,科学家从未停止寻找宜居星球,目前已探知的太阳系外的行星数目超过5000颗。在这些浩如烟海的系外行星中,有身世成谜的热木星群体,也有倍受期待的宜居行星候选体,承载地外文明的地球2.0是否也正隐匿其中?

  1 搜寻第二个太阳系

  “遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之?冥昭瞢暗,谁能极之?冯翼惟像,何以识之?”早在2000多年前的战国时期,楚国诗人屈原就在这首《天问》中,阐述了对于天地玄黄、宇宙洪荒的思考,他甚至大胆猜想了世界之外的世界。2000余年后的今天,我们仍在探讨,孕育了生命、文明的太阳系,是否是茫茫宇宙间,独一无二的存在?

  据预估,在可观宇宙中,包含银河系在内的星系高达千亿之数,而人类赖以生存的主星——太阳,也只不过是银河系千亿颗恒星中,平平无奇的一颗。也因此,我们很难相信,除了在宇宙间渺小如沙尘的太阳系外,再无其他恒星系统能够孕育行星,承载生命。

  然而,受限于观测技术,很长一段时间以来,我们对宇宙的认知也的确如此——孕育了包括地球在内的八大行星的太阳系,是人类仅知的,满足生命诞生条件的行星系统。

  这样的认知,在1992年得以改观。这一年,天文学家沃尔兹森和费雷欧,首次发现了太阳系外的类地行星。但它们绕转的主星却只是一颗恒星的残骸——毫秒脉冲星PSRB1257+12,它的旋转速度高达每秒161圈,这显然与人类理想中的第二个太阳系相差甚远。

  所幸,3年后,两位瑞士天文学家马约尔和奎洛兹,在一个与太阳极为相似,正值壮年的主序星飞马座51周围,发现了第一颗大小可媲美木星的气态巨行星,它被命名为飞马座51b,距离地球约50光年。

  这一发现引燃了天文学界搜寻第二个太阳系的热情,自此,系外行星探测正式拉开了序幕。

  不过,作为人类发现的第一颗环绕类太阳恒星运行的系外行星,飞马座51b却与太阳系内的八颗行星大相径庭。尽管它的质量、大小与木星相当,但其公转周期却只有4天左右,不仅与木星约12年的绕行周期天差地别,也远小于太阳系内任何一颗行星的公转周期。

  实际上,在早期的系外行星探测中,类似于飞马座51b这样的短周期气态巨行星,频繁出现。天文学家将它们统称为热木星。热木星数目之多,曾让天文学家一度怀疑,在宇宙间,这些身世成谜的热木星才是行星主流,而太阳系内的温、冷行星不过是行星群体中的特例。

  不过,在了解清楚行星探测的基本手段后,这个疑问就迎刃而解了。

  2 已发现超5000颗太阳系外行星

  探知太阳系外的行星,最直观的方式是直接观测。但众所周知,行星本身并不发光,我们看到的,是它们反射来自恒星的光芒。因此,直接观测时,行星微弱的反射光,大概率会湮没在其主星耀眼的光芒中,难以分辨。理论上,即使日冕仪可以遮挡主星的亮度,凸显行星的存在,但实施起来技术难度也很大,只适用于那些远离主星影响的行星群体。

  与直接成像相比,间接探测更为普遍,是搜寻行星的重要方式。其中,最为高效的系外行星探测方式当属凌星法。据统计,利用这种方法,搜寻到了约70%的系外行星。

  凌星法,利用行星绕主星公转,会周期性遮挡主星光亮的原理。监测主星光度的周期性变化,根据光变的深度、周期和宽度,即可推测未知行星的相对大小和轨道信息。通常,大行星环绕小主星时,遮光面积较大,光变更为明显。以太阳系为例,木星凌日的光变深度约为1%,而地球凌日的光变深度只有0.0084%。

  还有一种常见的行星探测方法,为视像速度法——当行星绕主星转动时,主星也将绕两者之间的质心小幅度的转动。如果两者的转动平面与视线方向垂直,在地球上的观测者看来,主星将周期地转向地球,又背离地球,这与其光谱的周期性蓝移和红移相对应。据此,我们可以推断出行星系统中行星的质量等重要信息。

  值得一提的是,无论是飞马座51b,还是后来陆续探知的其他热木星,它们大多由视像速度法探得,而这种方法对于那些大质量短周期的巨行星尤其敏感。由此可知,并非宇宙间的热木星数目庞大,只是早期行星观测受限于精度的选择效应罢了。

  近年来,在行星观测方面,微引力透镜法异军突起。相比在短周期行星群体中占据探测优势的凌星法和视像速度法,微引力透镜法可谓“剑走偏锋”,在冷行星探测方面独占鳌头。微引力透镜法基于爱因斯坦的广义相对论中质量导致光线偏折的理论——当一个“拖家带口”的行星系统,经过某个人类正监测的背景天体视线前方时,其质量将导致背景天体的光亮出现短时的汇聚。这类似于透镜聚光的效果,通过分析背景天体的单次光增强效应,即可获取行星系统中行星的质量、轨道信息。

  此外,随着望远镜探测精度逐步提升,天体测量法作为行星探测的一种补充手段,也颇受关注。这种探测方法的原理与视线速度法类似,都基于行星对于主星的扰动。不过,相较于视像速度法主要监测由行星引发的主星移动速度,天体测量法则关注由行星引发的主星位置变动。由于天体测量法对测量精度的要求极高,目前发现的行星数目并不多,但随着望远镜的探测精度逐渐逼近微角秒量级,天体测量法未来可期。

  除了这些主流的探测手段外,探测系外行星的方法还包括计时法、亮度调制法、行星盘运动法等。截至目前,已有超过5000颗太阳系外的行星被认证,距离人类发现第一颗系外行星,不过30年时间。

  3 已知宜居行星不足100颗

  在这些浩如烟海的系外行星中,是否正隐匿着一颗星球,与地球一般,具备孕育生命的条件或正在孕育生命呢?

  实际上,近年来,宜居行星候选体捷报频传。早在2016年,天文学家就在距离太阳最近的恒星——比邻星周围,发现了一颗类似于地球的岩石类行星,其质量略大于地球质量,属于“超级地球”,其轨道周期约为11.2天,被正式命名为比邻星b。虽然比邻星b距其主星的距离不过日地距离的1/20,但它的主星——比邻星却是一颗小而黯淡的红矮星,质量大概只有太阳质量的八分之一,光度不过太阳光度的千分之一,所以小周期的比邻星b恰好处于液态水可存续的宜居带内,是已知距离地球最近的一个宜居行星候选体,也是未来人类可能最先造访的系外行星。

  迄今为止,在5000多颗已探知的系外行星中,宜居行星候选体的数目不足百颗,这其中不乏一些有趣的发现。例如,在距离地球约300光年的红矮星开普勒1649周围,发现了一颗公转周期约为20天的行星——开普勒1649c,它不仅幸运地位于主星的宜居带内,还是目前最为接近地球大小的类地行星。

  此外,在距离地球约39光年的TRAPPIST-1系统中,也发现了7颗分布紧凑的类地行星,其中5颗行星大小与地球相当,另有两颗大小介于火星和地球之间。这7颗行星的公转周期从1.5天到19天不等,且每两个近邻行星轨道都处于共振的状态,极可能与行星轨道的内迁历史相关。根据TRAPPIST-1的温度梯度,这个系统中,大概有3到4颗行星都属于宜居行星候选体,今后将是天文学家的重点关注对象。

  虽然我们已经从数目繁多的系外行星中筛选出了一些所谓的宜居行星候选体,但与真正意义上的地球2.0还相差甚远。毕竟,我们目前对于宜居行星候选体的定义相当简单,仅仅初步判断其是否为类地行星,是否位于恒星周围可保有液态水的区域范围内。

  但一个能够孕育生命的星球,却需要更多更为严苛的考量:例如,行星表面的大气覆盖情况,因为行星大气的含量和成分,将极大影响行星的地表温度;例如,那些红矮星周围的近邻宜居行星,是否与主星潮汐锁定,这将决定行星的表面温度是否分布均匀;例如,行星磁场是否能够抵御带电粒子的冲击,避免大气层的剥离;再例如,主星环境是否温和,有没有足够长的稳定时间支撑地外生命的诞生与进化等等。

  4 更多“眼睛”寻找地球2.0

  寻找地球2.0,前路漫漫,但并非毫无希望。30年前,人类还难以置信,居然可以从纷杂的主星信号中,提取一丝微弱的行星信息。可30年后的今天,我们已然坐拥海量行星数据。

  就在我们的头顶,就在这片星空中,一只只“眼睛”好奇地打量着宇宙,拓展着系外行星的未知版图,其中,有“前辈”凌星望远镜——开普勒,有它的继任者凌星系外行星巡天望远镜,有耗资百亿美元的韦布太空望远镜,有宽视场红外巡天望远镜,有“行星猎手”——系外行星特性探测卫星等等。

  这是一场轰轰烈烈的找寻地球2.0之旅。中国科学家并未缺席,在我国遴选出的候选空间发射任务中,探求地球2.0的项目赫然在列,包括近邻宜居行星巡天计划,地球2.0空间巡天和觅音计划。其中,近邻宜居行星巡天计划将通过天体测量的方法,以微角秒级的观测精度,搜寻太阳系附近32光年范围内100颗类太阳恒星附近的宜居行星;而地球2.0空间巡天卫星计划,将通过技术相对成熟的掩星法来对银河系内的行星进行大规模普查,搜寻类太阳恒星周围的宜居行星,并结合微引力透镜法搜寻那些远离主星的冷行星,甚至于那些已被主星抛弃,孑然一身的流浪行星;觅音计划则打算通过发送空间探测器,以直接成像法证认太阳系外的宜居行星并评估其宜居性。

  太阳系孕育了地球,成就了人类文明诞生的摇篮。在过去的很长一段时间内,太阳系也是我们唯一已知的行星系统。但现在,我们知道,在茫茫宇宙间,太阳系并不是承载行星的孤舟。2019年,天马座51b的两名发现者,天文学家马约尔和奎洛兹获得了诺贝尔物理学奖,距离1995年他们探知第一颗气态巨行星仅仅过去了24年。

  寻找“地球2.0”之旅才刚刚开始。

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