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搜尋類地行星 下一步霍金尋外星生命

人類不是宇宙的“獨生子” 開普勒望遠鏡大規模搜尋類地行星

1960年,美國綠岸射電天文台的一架望遠鏡指向了天倉五。 這顆星距我們不算最近,但它在質量、溫度和恆星分類上都與太陽十分類似。 既然圍繞太陽運轉的一顆行星上,誕生了會使用射電望遠鏡的智慧生物,沒道理與太陽十分相似的天倉五,四周就是一片死寂。

我們總不至於是宇宙的“獨生子”吧? 地球疑惑得直發抖。 那麼恰到好處的溫度水分大氣層,那麼一個充滿偶然和變數的進程。

科學發展史不止一次的提醒我們,任何把人類放在宇宙上特優地位的思路都是錯誤的。 關於“另一個地球”的問題,之前我們是沒能力,查驗不了自己的小想法,但在開普勒望遠鏡升空後,野心與天真並重的人類開始大規模搜尋類地行星。

正如其名,類地行星是和我們的地球家園非常相似的星體。 一項研究證明,此類行星在宇宙歷史中某一時刻曾近10億個,但因恆星發出的強烈光線會掩蓋行星踪跡,切實搜尋它們相當困難。

而開普勒望遠鏡有特製的測光儀,在同一個觀測範圍,它能比其他望遠鏡看到更多數量的恆星。 這種強大是什麼概念呢——如果開普勒願意從太空中觀察地球的話,可以發現小鎮上的人在夜里關掉他家的門廊燈。

當一顆行星經過其環繞的恆星時,猶如一個小黑點慢爬過太陽,開普勒現在要鎖定住這遙遠的黑點。 隨著行星普查數量的激增,許多新的天體“公民”不斷出現在人類的類地行星目錄裡。

但“第二地球”卻不是隨便能叫的。

之前一位敢冠以這個名號的,是2010年發現的格利澤581g,各種數據和地球非常相似,距我們僅20光年(今天刷屏的開普勒-452b距我們1400光年 ),曾被多部天文紀錄片列為“下一個地球”。 但現在說這些徒留悲切,格利澤581g幾乎已被證實是光線誤差成像的一個幻影,存在的可能性微乎其微。 我們的開普勒-452b雖然遠點,好歹是真實的。

在開普勒項目發現的4696個行星候選者中,目前得到確認的只有1030顆。 而即使被確認了,多數的類地行星都與地球大相徑庭。 一個真正與我們的家園具有同樣尺寸和軌道周期,甚至圍繞的母恆星也和太陽差不多,而不是什麼紅矮星之類的星球,十分難得。

這也是美國國家航空航天局(NASA)第一次確認這樣一顆系外行星。 真別鄙視NASA在放新聞前搞飢渴發布,這麼一路引領著人類向地球之外的宜居地探索也是不容易,雖然它好像一到下半年就想起來預算經費和“交作業”這些頭疼 事,總是動作特別大。 但我們覺得,這次的獎項——開普勒-452b還是對得起世界關注的。 我甚至希望它能是一部小說的開頭——“遙遠的多年後,在星艦戰隊啟程之前,人類想起了宣布開普勒-452b發現的那一天。”

不過,到目前為止,一顆類地行星的發現,仍與“地外生命”四個字相差遠矣。

試想一下,一顆行星必須同時滿足多少條件才能有生命棲息的可能呢。 就此地來說,只要地球和太陽的距離再縮短5%,所有地球生物會體感過熱而死亡;這段距離如果加長1%,所有的陸地又會被冰川覆蓋。

回到1960年的那次監測。 綠岸的天文學家仔細搜尋了天倉五達3個月之久,沒有任何信號,項目暫停。 這就是所說的“小綠人”計劃。 小綠人至今不願回复。

另一個地球——一個遙不可及的美麗童話

 地球孕育了人類,是迄今為止浩瀚宇宙中唯一確證有生命的星球。 地球是太陽系八大行星之一,銀河系中像太陽一樣的恆星有上千億顆,而整個宇宙中像銀河系一樣的星系又數以千億計。

如果從太陽系外看,地球就像宇宙中的一粒塵埃,恰恰是這粒塵埃,卻是人類唯一的賴以生存的家園。 我們遺憾地發現,迄今為止,地球仍是太空中唯一適合人類長期居住的行星。 系外行星的想像雖然美好,但這只是一個美麗的童話,另一個地球美好的“遠水”解決不了人類面臨的“近渴”,人類未來的命運係於地球。 除了地球,我們別無所依。

開普勒太空望遠鏡搜尋之旅

所謂系外行星,就是位於太陽系之外,圍繞另一顆恆星運行的行星。 7月23日,美國國家航空航天局對外發布預告,將於北京時間7月24日零點整對外發布有關係外行星搜尋“令人興奮”的新消息。 預告稱“天文學家們已經接近幾千年來我們所夢想的目標——發現另一個地球。”這個預告一下子吸引了全球新聞界特別是科技媒體的關注。

從7月14日“新視野號”飛掠冥王星和冥衛持續數天的新聞報導,到前幾天鉑金小行星飛越地球附近的“財富誘惑”,再到今天宣布發現另一個地球——開 普勒452b 。 今年7月的這個夏天,太空和宇宙探索的新聞讓我們把目光投向寧靜絢爛的遙遠星空,似乎它們能夠在酷暑煎熬中帶給我們一絲清涼。

以我的個人分析,這次新聞發布會更像是花費了6億多美元的開普勒太空望遠鏡向全球公眾,特別是美國政府、國會和納稅人的“匯報演出”,目的是告訴他們, 你們給的這些錢沒有白花,以爭取得到進一步的研究資助。 我們應該知道,NASA不僅僅是一個龐大的航天科研機構,它也是一個政府部門,在科學傳播和新聞素材的飢渴發布,以及吊人胃口、吸引眼球方面已經十分嫻熟,類似的操作手段,我們 其實已經屢見不鮮。 這些操作既塑造了它良好的公眾形象,傳播了科學精神,也回應了公眾期待。

開普勒太空望遠鏡由NASA下屬的噴氣推進實驗室研製,它攜帶的最主要的科學儀器——光度計配備了一個直徑95厘米的透鏡。 與哈勃望遠鏡主要用來拍攝星空圖片不同,開普勒望遠鏡是世界上第一顆探測系外行星的航天器。 2009年3月7日,開普勒望遠鏡從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地17-B發射台發射升空,在3年多的任務期內,開普勒望遠鏡對天鵝座和天琴座中 約10萬個恆星系統開展了觀測,目的是搜尋太陽系外的行星,特別是搜尋與地球相似、由岩石構成,並位於恆星宜居帶上的行星,以研究銀河系內行星系統的多樣性。 所謂“宜居帶”是指恆星所屬的行星系統中適合生命存在的區域,在太陽系中,距離太陽0.99~1.70天文單位(1天文單位等於1.5億公里)之間的區域被稱為宜居帶 。 由於恆星輻射強度的差異,宜居帶與恆星的距離有所不同。

開普勒望遠鏡擔負著尋找第二個地球的重任

開普勒望遠鏡通過觀測行星穿越恆星的“凌日”現象搜尋系外行星。 所謂“凌日”是指行星經過其所屬的母恆星前的現象,就像地球上觀測水星或金星凌日的天象時,我們會發現太陽表面有個小黑點在緩慢移動。 當行星運行到開普勒望遠鏡與這顆行星所屬的恆星系統之間時,由於行星的遮擋,望遠鏡上的光度計接收到的恆星亮度信號會減弱。 開普勒望遠鏡上的光度計非常靈敏,可以檢測到恆星亮度的十萬分之一的微弱變化。 科學家根據恆星亮度週期性的微弱變化,可以推算出系外行星的大小和軌道周期。

為了精確對準觀測天區,開普勒望遠鏡配備了4個反應輪以控制望遠鏡的方向,其中至少要有3個反應輪正常工作才能實施觀測。 2012年7月,望遠鏡上的1個反應輪出現故障,但仍可正常觀測。 2012年11月,望遠鏡原定的主要觀測任務順利完成,原計劃將觀測壽命延長4年。 但2013年5月,又一個反應輪出現故障,由於無法湊齊3個反應輪一起工作,望遠鏡的正常觀測基本停止。 經過連續數月的分析測試和挽救努力後,項目團隊於2013年8月19日宣布放棄修復望遠鏡,轉而讓其承擔其它研究任務。

開普勒望遠鏡的結構和主要設備

“第二個地球”——開普勒452b

新聞發布會準時開始,以音頻和圖片形式向全球直播,開普勒望遠鏡團隊宣布發現了迄今為止與地球最相似的系外行星——開普勒452b(Kepler 452b)。

開普勒452b的直徑比地球大60%,距離地球約1400光年(1光年約等於10萬億公里),位於天鵝座。 2015年1月6日,NASA曾經發布開普勒望遠鏡發現的第1000顆系外行星,其中開普勒438b、開普勒442b、開普勒440b等三顆行星的運行軌道位於宜居帶內 ,當時報導也稱之為“另一個地球”。 但那三顆行星圍繞運行的恆星是質量較小、溫度較低的紅矮星,而開普勒452b圍繞運行的是一顆與太陽相似的恆星——開普勒452。

開普勒452b的直徑略大於地球,和中心恆星之間的距離與日地距離相似,比開普勒186f更像地球。

由於“凌日”法只能測量系外行星的直徑大小,無法估算其質量,因此無法根據密度判斷開普勒452b究竟是不是岩石質的行星。 但根據理論模型推測,開普勒452b的質量可能約為地球的5倍,若推測成立,則它應該是一顆岩石行星,而不是像木星、土星、海王星那樣氣液態的巨行星。

開普勒452b的軌道周期(一年)約為385天,接近地球上的一年365天。 由於這顆系外行星與母恆星的距離適中,位於溫度適宜的宜居帶,科學家猜想它的表面可能存在液態水。

雖然新聞報導時大多稱之為“第二個地球”,但嚴格說來,開普勒452b是一顆圍繞與太陽相似的恆星運行,與這顆恆星之間的距離適中的系外行星。 所以,開普勒452b並不是嚴格意義上的“另一個地球”,只能說是迄今為止與地球最相似的系外行星。 儘管如此,這仍然是搜尋“另一個地球”所取得的重要進展。

根據估算,恆星開普勒452的年齡約為60億年,比太陽還要老15億年,圍繞這顆恆星運行的開普勒452b的年齡也接近60億年。 由於恆星的光度會隨著年齡增長而老當益壯,逐漸增強,因此在開普勒452形成後的50億年內,這顆系外行星接收到的光照強度應該比地球弱,但如今開普勒452b接收 到的光照強度已經超過了地球。 這說明隨著太陽年齡的增長,地球上接收到的光照強度也將逐漸增強。

此次發布會同時發布了11顆直徑小於地球2倍、位於宜居帶內的系外行星,但其結果還需進一步確認。

探測冥王星的“新視野號”飛船是迄今為止飛得最快的深空探測器,如果讓它從現在開始趕赴開普勒452b,按照“新視野號”目前5.9萬公里/小時的飛行速度, 飛到“第二個地球”需要約2709萬年,而人類在地球上的全部歷史也不過200萬年,看來有生之年你我是不可能去那裡旅遊的了。

系外行星:從科學猜想到地理大發現

我們知道,太陽係有八大行星,那麼其它恆星也應該有自己的行星系統。 但這一設想直到二十多年前仍缺少實際觀測證據的支持,依然停留在科學猜想階段。 行星本身不發光,它表面的反射光相對恆星而言是極為微弱的,因此行星常常被掩蓋在母恆星的光輝內,要從距離地球達數百光年以遠的恆星系統中發現行星是很 困難的。 早在1855年就有天文學家宣稱發現了系外行星,但直到1992年,人類才首次確認有質量與地球相近的天體環繞著脈衝星PSR B1257+12(質量為木星10.98倍的HD 114762 b於 1989年被首次發現,是最早被確認的系外行星)。 由於並非所有恆星都有行星,因此系外行星的發現給了我們很大的驚喜。 銀河系裡面有上千億顆恆星,如果1%的恆星擁有自己的行星,則太陽系外的行星將達數十億顆。

系外行星觀測在最近幾年取得了重要進展,截至今天(2015年7月24日),已確認的系外行星達1935顆,屬於1225個行星系統,其中484顆系外行星位於多行星系統 內(數據來源:http://exoplanet.eu/catalog/)。 系外行星的觀測方法也有新的突破,其中用凌日時間變分法發現3顆,脈衝星計時法發現18顆,直接成像法發現51顆,微引力透鏡發現34顆,徑向速度或天體 測量法發現591顆,凌日法發現1 179顆。 開普勒望遠鏡自2009年發射以來在太空開展的天文觀測,大大提高了系外行星搜索的效率,目前已經探測到18 000顆可能的系外行星,其中262顆與恆星的距離不遠不近 ,位於溫度適宜的宜居帶。

系外行星的探索具有重要意義。 我們知道,太陽係是從一團瀰漫著氣體和塵埃等星際介質的太陽星雲逐漸凝聚、演化而來的。 目前,太陽系已經演化到了行星形成的晚期,但我們對行星形成的早期歷史並不清晰。 通過系外行星搜尋,發現那些處於不同形成階段、不同類型的行星,有助於理解行星是怎麼形成的,未來將向什麼方向演化。 我們的地球也是一顆行星,具有行星所共有的一些特徵,系外行星的探索,有助於研究行星的形成和演化過程,更有助於預測地球的未來,這關於人類未來的命運。

系外行星真的適合人類生存嗎

在很多新聞報導中,系外行星往往被稱為“超級地球”“最類似地球的行星”“第二地球”等,這似乎描繪了一個光明的前景,人類未來有可能移居到這些星球上去。 但作為冷靜的探索者,我們需要思考這些系外行星是否真的像地球一樣,人類未來是否真的有可能移居到這些行星。

如果是短期登陸探訪,有很多太空探索的目的地可供人類選擇,因為密閉的登陸艙和厚重的宇航服可以保護我們。 但如果要移居到另一顆星球,這就要求找到一個適宜人類長期居住的天體,這個天體必須具備更為苛刻的條件:

首先,要有大氣層的保護。 以地球海平面的大氣壓力為1個標準大氣壓為標準,醫院裡的高壓氧氣治療為1.4個大氣壓,珠穆朗瑪峰頂約為0.41個大氣壓。 如果系外行星的大氣太稠密或太稀薄,人類的心肺功能都將難以承受。 如金星表面是90個大氣壓,連載人登陸都無法實現,更不可能適合人類生存了。

除大氣壓外,還要擁有合理的大氣成分和比例。 地球大氣的主要成分是氧氣和氮氣,而且要符合一定比例。 氧氣含量過高,人會發生“醉氧”,過低則會缺氧。 但是,目前的探測手段還難以確定係外行星是否擁有大氣層,更難以判斷大氣成分。 從太陽系的經驗分析,土衛六的大氣是氮氣和甲烷,木衛二為純氧,金星大氣主要為二氧化碳,可能大多數係外行星的大氣成分主要為氮氣、甲烷、二氧化碳等,根本不適合 人類生存。 除了氧氣,地球大氣層中的微量氣體也發揮了很大作用,比如臭氧過濾掉了對人類危害最大的紫外輻射。 系外行星如果沒有臭氧層,人類患皮膚癌的概率將大大增加。

其次,要有液態水和適宜的溫度。 水是生命之源,根據地球的經驗,生命的存在離不開水。 有了水,才有可能形成生態系統,人與生物圈才能形成相互依賴、不斷進化的生態系統,否則人類單獨是難以長期生存的。 實際上,現有科技手段還無法證實係外行星上是否有液態水,只能根據系外行星與恆星之間的距離來估算行星上的溫度,並根據溫度範圍推斷是否有液態水的存在, 並非探明真的存在液態水。 即使系外行星與恆星的距離位於宜居帶內,也並不能保證行星表面具有適宜的溫度。 行星大氣層的密度和成分將顯著影響行星表面的溫度。

根據達爾文的進化論,生命的演化需要經歷漫長的歷史。 太陽作為太陽系的母恆星,是一顆中等質量的恆星,人類預測其壽命大約100億年。 現在太陽的演化已經過去約50億年,地球的形成已歷經了46億年。 地球誕生後8億年才出現簡單的生命,而人類的出現則不過250萬年。 換言之,太陽系誕生約50億年後才繁衍出高度發達的文明。 在宇宙中,如果母恆星的質量太大,其壽命就會比較短,它的行星就會來不及在母恆星的“有生之年”演化出相對複雜的生命。

再次,適宜居住的系外行星必須有一個岩石質的表面,讓人類可以繼續生活在陸地上。 由於系外行星的質量越小就越難觀測到,所以早期發現的系外行星大多是木星那樣巨大的氣液態行星,並不適合生命生存。 適宜居住的行星還要有一個完美的磁場,可以屏蔽來自恆星和恆星際的高能帶電粒子;這些行星必須已經演化到了中年階段,內部能量的釋放比較溫和,因為處於演化早期的年輕行星往往會 狂暴地釋放內部能量,地震和火山爆發的強度和頻度太大,人類在這些自然災害面前的生存機會將十分渺茫。

最後,系外行星所屬的恆星的能量釋放要比較穩定,否則人類在恆星爆發的超級帶電粒子風暴面前只能坐以待斃。 行星系統要已經演化到晚期階段,大量的小天體碎片已經被大的行星吸積,行星際空間逐漸清朗,可以大大降低行星被小天體撞擊的機率。

總之,人類之所以能在地球上生存,是因為地球穿了幾層保護人類的防護衣。 第一層是磁場,它屏蔽了大量高能帶電粒子,保護我們免受高劑量輻射的傷害;第二層是大氣層,它提供了人類呼吸所需的氧氣和植物生長所需的二氧化碳,其中的臭氧 又過濾掉對人體有害的紫外線;第三層是水圈,水作為載體,促進了地球各圈層之間的物質循環和生物的新陳代謝。

系外行星:遙不可及的美麗童話

系外行星本身不發光,在遙遠的、很亮的恆星附近很難直接觀測到,大多通過行星運行時對恆星的擾動來判斷。 迄今還沒有辦法明確判斷系外行星是否有岩石質的表面,是否有液態水,是否有磁場,大氣層中是否含有氧氣,更難以確認系外行星是否真正與地球環境相似。

如果人類足夠幸運,真的發現了一顆類似地球的系外行星,那我們是否有能力到達這顆系外行星呢? 開普勒望遠鏡最近發現了8顆系外行星,其中有3顆處於宜居帶,溫度範圍允許液態水的存在。 其中比地球大12%的開普勒438B也一度被認為最類似地球,距離地球475光年,公轉週期為35.2天,取代此前發現的開普勒186F,被認為是最有可能接近地球環境的 系外行星。 另一顆類似地球的系外行星開普勒442B,距離地球1100光年,公轉週期為112天。 以“新視野”號在藉助木星引力加速後的峰值速度7萬~7.5萬千米/小時(相當於19~20km/s,大於第三宇宙速度)估算,飛到開普勒438B需要684萬年 ,飛到開普勒442B需要1584萬年。 所以在星際飛行理論沒有突破的情況下,如果依靠傳統火箭,不借助時空穿越,人類基本上不可能抵達這些系外行星。

行星系統的宜居帶。 縱坐標為母恆星質量與太陽質量的倍數,橫坐標為行星到母恆星的距離與日地距離的倍數。

除了地球,我們別無所依

人類是在地球上繁衍進化而成的,我們的身體、生產、生活都已經適應了地球的環境。 就像世界上沒有兩片完全相同的葉子,宇宙中與地球一模一樣的星球幾乎是不存在的,所以如果移居到另一顆星球上生存,人類很可能就需要進化成另一種生物。 雖然地球並非天堂,也會面對超級太陽風暴、地球磁極倒轉、小天體撞擊等天文災難,也有地震、火山、海嘯等重大自然災害,但即使我們對地球諸多不滿,它依然是我們唯一的生存 家園。

我們尋找系外行星,我們希望登陸火星乃至移民火星,並不是因為那裡更加美好,而是為了尋找人類未來的避難所。 地球上的生物常常需要面對重大的災難性事件,根據推測,地球上的生物大滅絕平均2600萬年發生一次。 就像導致曾經獨霸地球的恐龍滅絕一樣,這樣的災難一旦發生,必將導致人類的滅絕。 為了人類的火種得以延續,我們需要在宇宙中尋找避難所,這就是我們搜尋系外行星和開展深空探測的重要價值。 但是,在星際飛行理論沒有質的突破之前,在用於時空穿越的蟲洞還沒有成為現實之前,人類還不可能飛出太陽系,未來移居地的搜索只能局限在太陽係以內。 而在太陽系內,火星是目前科學界公認的最佳選擇。 木衛二、土衛六可能會有生命存在,但那裡並不適合人類移居。

地球上的戈壁和沙漠可以作為載人登陸火星前的野外訓練基地。 圖為美國猶他州沙漠。

載人登陸火星模擬圖。 機器人和航天員將協同考察。

從太空回望地球,如果是冥王星的距離,地球是陽光照耀下的一個暗淡的藍色圓點。 如果從太陽系外回望地球,地球就像是漂浮在空蕩蕩的宇宙中的一粒塵埃,相當於太平洋中的一滴水。 但恰恰是這個暗淡的藍色圓點、這粒塵埃、這滴水,正是人類唯一賴以生存的家園。 在遍尋整個宇宙之後,我們遺憾地發現,地球仍是迄今為止太空中唯一適合人類長期居住的行星。 保護地球,就是保護人類的未來。 如果把人類看作一個大家庭,那麼地球就是我們代代相傳的“稀世珍寶”,我們有義務把它完好無缺地傳給下一代。 我們不能在地球上肆意地亂塗亂畫,把一顆千瘡百孔、傷痕累累的地球交給我們的孩子,這是每一個人的責任。

系外行星的想像雖然美好,但這美好的“遠水”解決不了人類面臨的“近渴”。 人類未來的命運係於地球。

除了地球,我們別無所依。

NASA發現新地球 下一步霍金尋外星生命?

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綠岸射電源是世界最大的射電望遠鏡之一,預計在2017年關閉,本項計劃也讓綠岸射電獲得了新的機會

據國外媒體報導,搜尋地外文明計劃本週獲得了俄羅斯億萬富翁尤里-米爾納的資金支持,會有1億美元的資金來運作外星文明搜索計劃。 雖然這些錢不是很多,但確實可以在一定程度上幫助一些天文台避免被關閉的命運,允許天文學家繼續對未知的宇宙可疑信號進行監聽。 倫敦皇家學會宣布,位於西弗吉尼亞的綠岸射電望遠鏡和位於澳大利亞的帕克斯天文台將開啟監聽模式,位於加州的聖何塞利克天文台的光學望遠鏡也會加入監聽隊伍。

這些望遠鏡將對地球周圍100萬顆恆星進行監聽,從表面上看是尋找外星人的無線電通訊信號等,但事實上科學家還有一個目的,就是尋找宇宙中(非)自然現象的可疑信號, 比如一些神秘的信號具有重複週期性,對於此類信號我們要保持警惕。 在1967年,北愛爾蘭天體物理學家喬斯林-貝爾就發現了類似的信號,具有定期、重複的脈衝特點,最終我們發現了脈衝星。 開始科學家還以為是外星人,並稱之為小綠人。

監聽頻率為1至10GHz,這些頻率上的無線電信號可以在宇宙中穿行,也可以通過地球大氣層。 澳大利亞的帕克斯射電望遠鏡在獲得資金後實現了重啟,因為澳大利亞政府把資金都投入到平方千米陣上了。 綠岸射電源是世界最大的射電望遠鏡之一,預計在2017年關閉,本項計劃也讓綠岸射電獲得了新的機會,可以收集到大量的數據。

1959年,菲利普-莫里森和朱塞佩兩位科學家首次提出利用先進的技術尋找外星人的電池輻射,不久後弗蘭克-德雷克提出了一個公式,暗示銀河系內可能有10個文明能夠 與我們進行聯繫。 新資金的注入使得科學家可以在更寬的頻率範圍上對宇宙進行監聽,有望發現一些新的天體物理現象



霍金
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霍金,斯蒂芬·威廉·霍金,男,1942年1月8日出生於英國牛津,獲得CH(英國榮譽勳爵)、CBE(大英帝國司令勳章)、FRS(英國皇家學會會員)、FRSA(英國皇家藝術協會 會員)等榮譽。 他是英國劍橋大學著名物理學家,是現代最偉大的


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