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    最資訊丨尋找地球2.0——地外文明存在嗎

    2022-09-16 15:51:13 光明網-《光明日報》

    作者:鄭曉晨(北京天文館助理研究員)


    (資料圖片)

    月球上有水,而且存在高含量水——近日,我國科學家對月壤研究的新發現,“解鎖”了月球的無限可能——能種菜嗎?能澆花嗎?能供人類飲用嗎?這一發現,成功勾起大家對移居地外行星的興趣。實際上,近30年來,科學家從未停止尋找宜居星球,目前已探知的太陽系外的行星數目超過5000顆。在這些浩如煙海的系外行星中,有身世成謎的熱木星群體,也有倍受期待的宜居行星候選體,承載地外文明的地球2.0是否也正隱匿其中?

    1 搜尋第二個太陽系

    “遂古之初,誰傳道之?上下未形,何由考之?冥昭瞢暗,誰能極之?馮翼惟像,何以識之?”早在2000多年前的戰國時期,楚國詩人屈原就在這首《天問》中,闡述了對于天地玄黃、宇宙洪荒的思考,他甚至大膽猜想了世界之外的世界。2000余年后的今天,我們仍在探討,孕育了生命、文明的太陽系,是否是茫茫宇宙間,獨一無二的存在?

    據預估,在可觀宇宙中,包含銀河系在內的星系高達千億之數,而人類賴以生存的主星——太陽,也只不過是銀河系千億顆恒星中,平平無奇的一顆。也因此,我們很難相信,除了在宇宙間渺小如沙塵的太陽系外,再無其他恒星系統能夠孕育行星,承載生命。

    然而,受限于觀測技術,很長一段時間以來,我們對宇宙的認知也的確如此——孕育了包括地球在內的八大行星的太陽系,是人類僅知的,滿足生命誕生條件的行星系統。

    這樣的認知,在1992年得以改觀。這一年,天文學家沃爾茲森和費雷歐,首次發現了太陽系外的類地行星。但它們繞轉的主星卻只是一顆恒星的殘骸——毫秒脈沖星PSRB1257+12,它的旋轉速度高達每秒161圈,這顯然與人類理想中的第二個太陽系相差甚遠。

    所幸,3年后,兩位瑞士天文學家馬約爾和奎洛茲,在一個與太陽極為相似,正值壯年的主序星飛馬座51周圍,發現了第一顆大小可媲美木星的氣態巨行星,它被命名為飛馬座51b,距離地球約50光年。

    這一發現引燃了天文學界搜尋第二個太陽系的熱情,自此,系外行星探測正式拉開了序幕。

    不過,作為人類發現的第一顆環繞類太陽恒星運行的系外行星,飛馬座51b卻與太陽系內的八顆行星大相徑庭。盡管它的質量、大小與木星相當,但其公轉周期卻只有4天左右,不僅與木星約12年的繞行周期天差地別,也遠小于太陽系內任何一顆行星的公轉周期。

    實際上,在早期的系外行星探測中,類似于飛馬座51b這樣的短周期氣態巨行星,頻繁出現。天文學家將它們統稱為熱木星。熱木星數目之多,曾讓天文學家一度懷疑,在宇宙間,這些身世成謎的熱木星才是行星主流,而太陽系內的溫、冷行星不過是行星群體中的特例。

    不過,在了解清楚行星探測的基本手段后,這個疑問就迎刃而解了。

    2 已發現超5000顆太陽系外行星

    探知太陽系外的行星,最直觀的方式是直接觀測。但眾所周知,行星本身并不發光,我們看到的,是它們反射來自恒星的光芒。因此,直接觀測時,行星微弱的反射光,大概率會湮沒在其主星耀眼的光芒中,難以分辨。理論上,即使日冕儀可以遮擋主星的亮度,凸顯行星的存在,但實施起來技術難度也很大,只適用于那些遠離主星影響的行星群體。

    與直接成像相比,間接探測更為普遍,是搜尋行星的重要方式。其中,最為高效的系外行星探測方式當屬凌星法。據統計,利用這種方法,搜尋到了約70%的系外行星。

    凌星法,利用行星繞主星公轉,會周期性遮擋主星光亮的原理。監測主星光度的周期性變化,根據光變的深度、周期和寬度,即可推測未知行星的相對大小和軌道信息。通常,大行星環繞小主星時,遮光面積較大,光變更為明顯。以太陽系為例,木星凌日的光變深度約為1%,而地球凌日的光變深度只有0.0084%。

    還有一種常見的行星探測方法,為視像速度法——當行星繞主星轉動時,主星也將繞兩者之間的質心小幅度的轉動。如果兩者的轉動平面與視線方向垂直,在地球上的觀測者看來,主星將周期地轉向地球,又背離地球,這與其光譜的周期性藍移和紅移相對應。據此,我們可以推斷出行星系統中行星的質量等重要信息。

    值得一提的是,無論是飛馬座51b,還是后來陸續探知的其他熱木星,它們大多由視像速度法探得,而這種方法對于那些大質量短周期的巨行星尤其敏感。由此可知,并非宇宙間的熱木星數目龐大,只是早期行星觀測受限于精度的選擇效應罷了。

    近年來,在行星觀測方面,微引力透鏡法異軍突起。相比在短周期行星群體中占據探測優勢的凌星法和視像速度法,微引力透鏡法可謂“劍走偏鋒”,在冷行星探測方面獨占鰲頭。微引力透鏡法基于愛因斯坦的廣義相對論中質量導致光線偏折的理論——當一個“拖家帶口”的行星系統,經過某個人類正監測的背景天體視線前方時,其質量將導致背景天體的光亮出現短時的匯聚。這類似于透鏡聚光的效果,通過分析背景天體的單次光增強效應,即可獲取行星系統中行星的質量、軌道信息。

    此外,隨著望遠鏡探測精度逐步提升,天體測量法作為行星探測的一種補充手段,也頗受關注。這種探測方法的原理與視線速度法類似,都基于行星對于主星的擾動。不過,相較于視像速度法主要監測由行星引發的主星移動速度,天體測量法則關注由行星引發的主星位置變動。由于天體測量法對測量精度的要求極高,目前發現的行星數目并不多,但隨著望遠鏡的探測精度逐漸逼近微角秒量級,天體測量法未來可期。

    除了這些主流的探測手段外,探測系外行星的方法還包括計時法、亮度調制法、行星盤運動法等。截至目前,已有超過5000顆太陽系外的行星被認證,距離人類發現第一顆系外行星,不過30年時間。

    3 已知宜居行星不足100顆

    在這些浩如煙海的系外行星中,是否正隱匿著一顆星球,與地球一般,具備孕育生命的條件或正在孕育生命呢?

    實際上,近年來,宜居行星候選體捷報頻傳。早在2016年,天文學家就在距離太陽最近的恒星——比鄰星周圍,發現了一顆類似于地球的巖石類行星,其質量略大于地球質量,屬于“超級地球”,其軌道周期約為11.2天,被正式命名為比鄰星b。雖然比鄰星b距其主星的距離不過日地距離的1/20,但它的主星——比鄰星卻是一顆小而黯淡的紅矮星,質量大概只有太陽質量的八分之一,光度不過太陽光度的千分之一,所以小周期的比鄰星b恰好處于液態水可存續的宜居帶內,是已知距離地球最近的一個宜居行星候選體,也是未來人類可能最先造訪的系外行星。

    迄今為止,在5000多顆已探知的系外行星中,宜居行星候選體的數目不足百顆,這其中不乏一些有趣的發現。例如,在距離地球約300光年的紅矮星開普勒1649周圍,發現了一顆公轉周期約為20天的行星——開普勒1649c,它不僅幸運地位于主星的宜居帶內,還是目前最為接近地球大小的類地行星。

    此外,在距離地球約39光年的TRAPPIST-1系統中,也發現了7顆分布緊湊的類地行星,其中5顆行星大小與地球相當,另有兩顆大小介于火星和地球之間。這7顆行星的公轉周期從1.5天到19天不等,且每兩個近鄰行星軌道都處于共振的狀態,極可能與行星軌道的內遷歷史相關。根據TRAPPIST-1的溫度梯度,這個系統中,大概有3到4顆行星都屬于宜居行星候選體,今后將是天文學家的重點關注對象。

    雖然我們已經從數目繁多的系外行星中篩選出了一些所謂的宜居行星候選體,但與真正意義上的地球2.0還相差甚遠。畢竟,我們目前對于宜居行星候選體的定義相當簡單,僅僅初步判斷其是否為類地行星,是否位于恒星周圍可保有液態水的區域范圍內。

    但一個能夠孕育生命的星球,卻需要更多更為嚴苛的考量:例如,行星表面的大氣覆蓋情況,因為行星大氣的含量和成分,將極大影響行星的地表溫度;例如,那些紅矮星周圍的近鄰宜居行星,是否與主星潮汐鎖定,這將決定行星的表面溫度是否分布均勻;例如,行星磁場是否能夠抵御帶電粒子的沖擊,避免大氣層的剝離;再例如,主星環境是否溫和,有沒有足夠長的穩定時間支撐地外生命的誕生與進化等等。

    4 更多“眼睛”尋找地球2.0

    尋找地球2.0,前路漫漫,但并非毫無希望。30年前,人類還難以置信,居然可以從紛雜的主星信號中,提取一絲微弱的行星信息???0年后的今天,我們已然坐擁海量行星數據。

    就在我們的頭頂,就在這片星空中,一只只“眼睛”好奇地打量著宇宙,拓展著系外行星的未知版圖,其中,有“前輩”凌星望遠鏡——開普勒,有它的繼任者凌星系外行星巡天望遠鏡,有耗資百億美元的韋布太空望遠鏡,有寬視場紅外巡天望遠鏡,有“行星獵手”——系外行星特性探測衛星等等。

    這是一場轟轟烈烈的找尋地球2.0之旅。中國科學家并未缺席,在我國遴選出的候選空間發射任務中,探求地球2.0的項目赫然在列,包括近鄰宜居行星巡天計劃,地球2.0空間巡天和覓音計劃。其中,近鄰宜居行星巡天計劃將通過天體測量的方法,以微角秒級的觀測精度,搜尋太陽系附近32光年范圍內100顆類太陽恒星附近的宜居行星;而地球2.0空間巡天衛星計劃,將通過技術相對成熟的掩星法來對銀河系內的行星進行大規模普查,搜尋類太陽恒星周圍的宜居行星,并結合微引力透鏡法搜尋那些遠離主星的冷行星,甚至于那些已被主星拋棄,孑然一身的流浪行星;覓音計劃則打算通過發送空間探測器,以直接成像法證認太陽系外的宜居行星并評估其宜居性。

    太陽系孕育了地球,成就了人類文明誕生的搖籃。在過去的很長一段時間內,太陽系也是我們唯一已知的行星系統。但現在,我們知道,在茫茫宇宙間,太陽系并不是承載行星的孤舟。2019年,天馬座51b的兩名發現者,天文學家馬約爾和奎洛茲獲得了諾貝爾物理學獎,距離1995年他們探知第一顆氣態巨行星僅僅過去了24年。

    尋找“地球2.0”之旅才剛剛開始。

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    關鍵詞: 系外行星 宜居行星

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