在寻找“第二地球”这件事上,人类究竟做了哪些努力?

宇宙中有没有比人类文明更先进的生命?这很可能是NASA的终极使命,也是天文学界最重要的课题。

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从科幻电影中人类一次次对外星的幻想,到现实中一次又一次振奋人心的消息传来。为了找到足以改写人类社会秩序的宇宙要闻,这颗星球上的天文学家们正在进行哪些努力的尝试?又有何收获与瓶颈?

银河系中有一千亿颗恒星,而围绕她们的行星数以百亿计,即使一个很小的比例能够孕育生命,也会让银河系生机勃勃;其中即使很小的比例能够孕育智慧生命,也会让银河系沸反盈天。

但是,他们在哪?

太阳系已经找遍了

在过去的半个多世纪,人类的航天器造访了太阳系所有的行星,阿姆斯特朗和他的后继者们甚至亲自走上了月球。可是看上去巨额的投资带回的可见利益有限。人们发现金星的表面大气压力相当于地球的90倍,大气中充满了酸性气体,严重的温室效应使得火星表面可以融化铅块。被寄予厚望火星正好相反,大气密度只有地球的1%,冬季温度可达零下一百多度。我们似乎有证据说明火星上存在着水,但没有任何证据显示火星上存在着生命,或者曾经适于生命存在。

刚刚造访冥王星的新视野探测器拥有人类当前最先进的星际航行技术,借力大行星引力场,航行速度达到5万公里每小时,用了9年来到太阳系的边缘。在为我们带回冥王星星美丽照片的同时,它似乎也宣告着太阳系内寻找人类第二家园希望渺茫。

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对渴望寻找第二家园的人类来说,冥王星的美丽面孔反而是个噩耗。

今年3月,哈勃望远镜观测到木卫二蕴藏着一个巨大的地下海洋,液态水含量超过地球,“打开了地球之外存在生命的奇妙可能”。

找家找水找氧气

这次发现“第二地球”的开普勒望远镜采用了名为掩食法的方式监测天鹅座附近银河中一片密集的星场。掩食法就好像在遥远的地方观察灯塔光辉下的一只飞虫。 飞虫飞过灯塔,会极其轻微的遮挡灯塔的光线,远处的观察者必须能够记录这种轻微的亮度变化,才有可能探知飞虫的存在。开普勒卫星绕太阳轨道运行。它一共发现了1030个系外行星和四千余个系外行星候选体。其中包括10多个地球大小的、位于宜居带内的行星。

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      开普勒望远镜工作示意图

      出于经费及安全方面的考虑,更多寻找地外行星的计划基于地面望远镜,如智利北部的La Silla天文台3.6米的望远镜,以及夏威夷中国参合作建设中的30米望远镜(TMT)。前者检测行星母星之间拖拽时产生的晃动,就像链球运动员在准备抛掷出铁球之前身体会被旋转的铁球拖曳的前后晃动一样,绕恒星旋转的行星也会靠自己微弱的引力把自己的母星拽着前后晃动。直径达一百多万公里的太阳,在地球这么大的行星拖曳下,仅会产生10cm/s左右的微弱晃动。La Silla天文台的3.6米望远镜上安装的HARPS光谱仪可以测量出1m/s的晃动,而目前正在发展的下一代激光频率梳技术,已能将测量精度提升到2.5cm/s。这些技术成熟后,我们就能探测到更多地球大小的行星。

      智利 La Silla 天文台

      中国科学院国家天文台的毛淑德教授率先提出微引力透镜法寻找地外行星。其原理是:当两颗恒星在银河系中绕转的过程中,恰好跟我们成一条线时,位于中间的恒星将因其引力对后面那颗恒星光线的弯曲,而成为一个“引力透镜”,让后面的恒星看起来短暂的变亮。如果中间这颗恒星恰好带有行星,那这条亮度变化曲线就会有几个额外的小尖峰,捕捉这些小尖峰就成为探测行星大小的关键。这一方法现在也发现了三十多个地外行星。

      TMT 望远镜设计图

      用上述几种方式确定类似地球的行星后,我们接下来要确定它们是否具备智慧生命生存的条件:氧气和水。

      但是,我们无法直接看到系外行星的大气层,好在行星遮掩母星的一刹那,给我们足够的机会,看到星光穿过行星大气层再射向我们的样子。把行星遮挡母星前后的恒星光谱相减,我们就能得到因行星大气吸收造成的谱线特征——在这些特征中,我们能够看到我们想要的,氧气、水、二氧化碳,等等。毛淑德教授正在积极推动中国参与国际合作建设30米望远镜(TMT),这台耗资十亿美元的望远镜建成后,将可能直接探测到地球大小地外行星大气层的成分。

      如果有一天,这些数据都出现在新闻里,那么人类的真的可以奔走相告,刷爆屏幕。

      2004年,一次百年难遇的“金星凌日”让人类得以窥见了金星的高层大气,帮助科学家确定了其组成成分。

      上图是通过这种方法得出的地球大气谱线,二氧化碳、水、臭氧和甲烷都可以在吸收线中看出来,而有臭氧是有氧气的指征。


      他们会唱歌吧?

      找到了新的类似地球的家园,不一定就能打破人类的孤独,也许这些类地球的行星上还没有智慧生命的出现。所以,另一群科学家采取了另一种方式:直接找人,找会发声的地方。

      根据卡尔萨根小说改编的电影《超时空接触》描述了天文学家如何用射电望远镜监听太空而收到外星人信号的故事。在现实中,这也正是天文学家不懈努力的方向。

      前几天俄罗斯富豪联手霍金推动的“突破聆听”项目将使用美国的绿岸望远镜——这是一架与地外文明搜寻很有渊源的大型射电望远镜,《三体》中红岸基地的命名就是在向它致敬。这台直径110米的钢铁巨人现在正面临经费短缺的困境,俄富豪的大手笔捐赠将能满足它十年的运行费用。

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      绿岸望远镜(GBT)

      十年后即将建成一期工程的平方公里阵列望远镜(SKA)凭借纵横澳洲大陆的体量,更将以前所未有的灵敏度打开一个新世界的大门。它的灵敏度将能够探测到50光年内行星上相当于机场雷达强度的信号,也许那时我们就能对我们所处的“黑暗森林”到底长什么样开始有起码的了解。

      澳洲现已覆盖了数量庞大的望远镜阵列,未来,这片大陆将成为人类搜寻地外文明的重要据点。

      中国在这项总投资6.5亿美元的大工程中占据10%的份额。同时中国也在建设自己的“SKA”——位于贵州卡斯特地形中的500米口径球面射电望远镜(FAST)正是当年中国提出的一个“平方公里望远镜”试验方案。再过一年,FAST 就将建成开光,那时它将成为世界上最灵敏的射电望远镜。一个新的电视节目,也许现在就可以酝酿了:宇宙好声音。

      不出意外,FAST 竣工后将成为世界最大的单口径射电望远镜。

      (中科院国家天文台副研究员李然、博士研究生刘博洋对本文亦有重要贡献)


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