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本文来自微信公众号:墨子沙龙(ID:MiciusSalon),作者:葛健,题图来自:《星际穿越》


仰望星空,你可曾想过茫茫宇宙中是否还有与我们一样的生命个体?俯瞰大地,是否还有另一片土壤能让我们脚踏实地?


《三体》里的叶文洁曾向宇宙发射信号,埃隆·马斯克也扬言说要把人类送上火星。从太阳系到银河系,你相信宇宙中还有第二个地球与生命吗?让我们跟随葛健老师的脚步,一起听听宇宙中是否有回音。


从古代故事里了解星球的宜居性


为什么中国河南古代叫豫州?因为在4000年前夏商时期,河南一带有很多大象出没。豫字是象形文字,是“象”和“邑”两个字的结合,即“大象出没的地方”。


河南(豫州)的豫字为象形字,是象邑


为什么屈原在公元三百年前的《国殇》里面,提到 “操吴戈兮被犀甲”,“犀甲”的“犀”是怎么回事?因为这里描写的楚国,也就是现在湖南、湖北这一带,以前也有大量的犀牛出没。


大家可能从小都听说过三国时代曹冲称象的故事,说明中原这一带,在2000年前是有这些热带动物出没的。


回到上古时代的传说,后羿射日、夸父逐日,描述的是当时天气炎热,一个射掉九个太阳,一个与太阳赛跑。


同时,大家注意到太阳里面有黑色的东西时而出现、时而消失,就认为天气的炎热与这种黑色的东西相关,于是给它起了个名字叫金乌鸟。后来人们在坟墓里面挖出一幅2000年前的西汉古画,画中的太阳里有只黑鸟。这说明在远古时代,人们认为是太阳内的金乌鸟导致了气候的反常,所以要去射杀它。


影响星球宜居性的因素


从古代的故事可以看出,太阳黑子活动会导致古代地球宜居环境的变化,有许多证据可以证明这一点。望远镜记录显示:太阳黑子的活动周期与地球的温度变化密切相关;C-14的追踪显示:如今太阳黑子的活动远远小于上古时期;用冰芯里的气体追踪大气的温度,发现2000年内,北半球的温度下降了约两度,造成了现在的小冰川期。所以恒星的活动会影响地球的宜居度



第二个影响星球宜居度的是碳循环。自然条件下,火山爆发会释放大量二氧化碳形成温室效应,导致地球的表面温度升高,因而大量下雨。二氧化碳跟水可以产生碳酸,进而与地面上的硅酸钙岩石发生风化作用,使得硅酸分解,剩下的钙离子和碳酸氢盐的成分随水流入海洋。海洋中钙离子和碳酸氢盐发生作用形成碳酸钙,沉积在海洋的底层。


因为地球有板块运动,板块之间相互撞击之后,海洋的板块通常相对柔软,会被别的板块撞到更深的地下,即“地幔”。地幔的压强很大,碳酸钙会转换成硅酸钙,同时把二氧化碳释放出来,因而地幔里面有大量的二氧化碳储存。板块撞击后,会形成火山,火山喷发就会把储存在地幔里面的二氧化碳再一次释放。这种循环的周期是大概40万年。


如果说有一段时间火山没有爆发,或者是板块撞击不够强烈,没有二氧化碳释放,地球温度就会逐渐降低,进入冰川期。所以研究地球的宜居的环境,我们还要关心的是地面上是不是有岩石。有岩石的星球才可能形成真正的生命。



除了上两个因素,生物的活动对气候的塑造也是不可忽视的。人类贡献的二氧化碳,甚至氟利昂的排放也在深刻的影响地球的气候。这也可以作为寻找其他星球高等智慧生命的依据。


太阳系内可能存在其他生命


大家对离地球最近的两颗行星,火星和金星做了长期的观测。早在100多年前,人们就发现火星上有季节的变化。1890年代,意大利的一位科学家观测了火星若干年之后,认为火星可能有人造沟渠,因为火星两极有冰盖,而火星比较干燥,所以火星人就把火星两极冰盖融化的冰水通过人工渠引到赤道附近灌溉农业。


当时美国的一位天文学家和数学家,同时也是商人和作家——Percival Lowell,听到这个事情后,就变卖掉家产成立了自己的天文台——Lowell天文台。一年四季专注观测火星15年,详细记载火星上的几百个渠道,描述火星人可能在做什么事。但是很遗憾的是,15年后,分辨率更高的望远镜发现火星上的沟渠都是自然环境导致的。


天文学家Percival Lowell (1855-1916)


The 24-inch (61 cm) Alvan Clark & Sons refracting telescope1



人造水渠?15年的观测


现在哈勃望远镜看到的火星,发现火星两极确实有冰盖,但这是由二氧化碳形成的干冰,不是水形成的冰盖,温度比地球低几十度;它的大气也非常稀薄,压强只有地球的千分之五,因为火星的体积太小,引力不够大,无法吸引住足够的气体;虽然火星上几百万年前有过火山爆发,但是如今没有板块运动。这说明早期它可能是宜居的,甚至可能有生命的诞生,但现在没有。体积不够大、火山没有继续喷发、没有板块运动,最终决定了火星是一个没有高等生命的环境。


哈勃空间望远镜所见/NASA


但是天文学家觉得过去火星可能有宜居的环境,因此如今有可能存在低等生命。所以美国在1970年代,实施了海盗(Viking)计划。计划是发射两个探测器,分别到火星南北半球,并在着陆的地方就地取土壤,把土壤和从地球带过去的鸡汤混合起来做生化实验。


这样做的目的很简单,如果火星土壤存在微生物,接触鸡汤后会释放二氧化碳;或者如果够做光合作用的话,它可以释放氧气。总之,我们把鸡汤放进去以后,它就产生气体交换。


气体交换的过程/NASA


通过这些实验,科学家发现火星上有气体交换,能够释放二氧化碳,释放氧气。当时科学家们非常高兴,觉得可能有生命。遗憾的是,他们做了气相色谱仪分析,实验目的是加热土壤探测是否存在有机分子,最后发现这两个地方土壤里没有任何的有机分子。所以70年代的Viking计划,没有发现火星上存在生命。


但是天文爱好者在Viking空间轨道探测器拍摄的上万张照片里面,发现了有一张“猴脸”的照片,于是就引起臆想,现在火星上没有生命,那么古代会不会有呢?这个猴脸是否说明古代火星人能够制造遗迹?


“猴脸”之谜揭晓/NASA


虽然海盗号(Viking)没有发现生命,但是天文学家认为这有可能因为探测器降落在两个固定的地方,这里恰好不存在生命。所以应该有火星车能够在火星上移动,在不同地方搜寻。所以1997年,过了将近30年,美国又重新开始了火星计划。这张图就是探路者(Pathfinder)在火星上拍的日落图。


由NASA的探路者(Pathfinder)拍摄的火星日落,1997


高分辨率的图像再次拍到“猴脸”现象,但是由于这次照相的分辨率提高了很多,结果发现“猴脸”只是自然的地质变化导致的地壳形状。2021年美国发射了毅力号,并在火星上发射直升机。人类搜寻火星生命又进了一步,增加了很多很强大的工具。


除此之外,人们对地球另一个“邻居”金星也进行了探索。金星离太阳更近,是地球到太阳的距离的70%。科学观测金星的大气压是地球的90倍。而且大气温度非常高,约460摄氏度。在1970年,苏联送了一个探测器降落到金星上,结果因为温度太高、压强太大,仪器工作了几分钟就停止了。停止之前,他们拍摄了金星的照片,表面到处都是烧焦的岩石,说明金星上很炎热、干燥,无法居住。



为什么金星大小与地球相近,只是距离太阳较近,便不适合居住?实际上是由于金星离太阳太近,导致了失控的温室效应。金星得到的太阳光是地球的两倍,水变成水蒸气把更多红外辐射的热量吸收下来,使得地面温度更高,水蒸发作用更强,如此循环使得大气温度很高。


另外,太阳光里的紫外线跟水分子作用将其分解成氢气和氧气。氢气由于很轻飞离大气层,氧气则和碳元素反应产生二氧化碳,释放大量的温室气体,最后导致金星上的高温。


系外类地行星的探测


因此搜寻第二个地球,要保证星球距恒星的距离适中,星球本身不能太小等。这就决定我们要找第二个地球,有非常多的要求。比如行星公转的周期大致是一年,这就要求仪器能够精确、连续长期观测。地球是太阳的1%大小,面积是万分之一大小,质量是太阳的三十万分之一,所以地球对太阳影响是非常微弱的,需要非常高精度的仪器才能测量到。有哪些物理效应可以用于这些探测?



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首先是多普勒视向速度,测量的是地球跟太阳之间的引力互搏。太阳对地球有引力,地球对太阳也有引力。地球对太阳产生的影响大概是10厘米/秒的速度,对太阳的扰动非常小,但如果仪器的精度足够高,便能探测到第二个地球的信号。


1995年,人类第一次用这种技术在类太阳周围发现了一颗热木星。然而多普勒技术要实现超高精度的测量是相当困难的,20世纪末,视向速度测量最高精度大概在3米/秒,地球对太阳的影响只有0.1米/秒。因此直接使用多普勒技术搜寻第二个地球的困难非常大。


因此,科学家发明了另外一个办法,即凌星法。这种方法测量行星遮挡恒星时(凌星现象),恒星发生的亮度变化。比如地球大小挡住太阳万分之一,如果能够测量恒星小于万分之一的亮度变化,就能看到类地行星的凌星信号。


美国人用开普勒望远镜对一个在织女座边上的天区凝视观测四年,虽然没有找到第二个地球,但找到了非常有趣的一个新种群。银河系中,三分之一类日恒星周围,大量的行星存在于水星轨道以内。这个种群的行星大小比地球要大,比海王星要小,即介于一倍地球和四倍地球之间。我们叫做超级地球和亚海王星。


凌星法探测类地行星


四年以后,开普勒卫星有两个飞轮失败没法继续对织女座附近天区做连续凝视观测,所以没有获取足够多的数据,看不到第二个地球,即地球2.0(半径是0.8-12.5地球半径)的微弱信号。


一方面因为它的机械出了故障,必须要转向别的天区。另一方面是开普勒卫星上天之后,发现大部分的类太阳恒星,比太阳的活动还要强。2/3以上跟太阳相似的恒星比太阳更活跃,导致的恒星内禀噪声过高,它们上面即使有地球2.0,也很难通过凌星观测发现,同时它们上面很可能不适合生存。所以我们需要找跟太阳相似但更安静的恒星。


我个人从2010年开始,自己带领一个团队做一个世界上最先进的多普勒仪器。经过三年多的时间,研制了一台叫TOU高精度的光谱仪。在天文台又调制了两年后,到2015年,我们得到了大约0.8米/秒的精度和稳定度,虽然这个精度在当时是国际领先,但还是达不到寻找地球2.0的地步。


地球2.0对类太阳的引力影响只能产生~0.1米/秒的运动速度。但是也有一些成果,我们很快在距离只有16光年的波江座40恒星附近找到了一个42天周期、8.5倍地球质量的超级地球,这与《星际迷航》里假想的绕着波江座40恒星的瓦肯星的描述非常相似,因此受到了全世界范围内数以亿计的《星际迷航》粉丝的强烈关注,以及国际上千家大媒体的关注。


离地球最近的恒星(除太阳之外)比邻星,只有太阳的12%的质量,距离我们4.2光年。2016年,科学家利用视向速度方法探测,发现上面有一个11天周期的地球质量的宜居行星,上面可能有水有生命,当时也引起了非常大的轰动。


比邻星的宜居行星想象图


Trappist-1 的宜居行星想象图


与此同时,天文学家也用凌星法搜寻类地行星。比利时的天文学家迈克尔·吉隆(Michaël Gillon)用地面和空间望远镜的凌星观测结合起来,在2017年发现在比比邻星质量还小,大概只有8%的太阳质量的Trappist-1红星周围有七颗行星,这七颗行星周期非常短,最大的周期也就十几天。在这么近的距离内有七颗行星,而且有三颗行星处在宜居带,非常不可思议。这也是人类第一次找到红矮星周围有三颗宜居星。


现在人类找到了大概十来颗跟地球质量相仿的宜居行星,但都是绕着红矮星。而红矮星周围的宜居行星上到底能不能有生命,这本身就有很大的争论。原因很简单,类似地球与月亮的关系,潮汐锁定现象会使得红矮星周围的行星只有一个面朝着恒星。同时它们距离又那么近,导致“眼球”的这种特殊现象,即对着太阳这一面非常干燥,背的那一面没有太阳,就变成冰天雪地。


这个环境中大气能不能生存都存在问题,因为冰天雪地会把大气给吸收下去。此外,更严重的是,红矮星比太阳要活跃10到1000倍。红矮星的耀斑甚至能够直接扫过这个星球,把生命烤干。



小质量红星的超级耀发(包括X-射线、紫外线)是太阳的10-1000倍,可以杀死各种生命


而如果红矮星周围宜居行星上面有高等生命,由于红矮星主要发射红外线,生命就不会像我们一样用眼睛看,而更可能是用红外传感器。


到底有没有找到和我们更相似的候选者?


开普勒(太空望远镜)在这方面做了很多的贡献,开普勒上天一年多就发现了开普勒-22b,它的恒星有97%的太阳质量,它本身处在宜居带中,有2.4倍地球半径,质量可能是十几倍地球质量,是个超级地球或者亚海王星。但因为质量太大,上面很难存在生命。两年后,他们在一个69%的太阳质量的恒星周围发现了两个宜居行星,行星半径基本是1.4倍到1.6倍地球半径,质量是2.8个地球质量和4.5个地球质量。


在开普勒卫星失败之前,数据分析发现了开普勒-452b。这个行星的寄主恒星是1.04个太阳质量,这个行星的轨道(周期)是385天,半径是1.5个地球半径,质量大约是地球的5倍质量。那么这种宜居的超级地球适不适合有生命呢?问题在于,如果地球质量增加一倍以上,地球的引力增加,会不会吸取更多气体,产生更强烈的温室效应?同时引力过大,也会导致表面火山和火山岩浆到处都是,非常不利于生命的诞生和成长起来。


遗憾的是,后来经过科学家的进一步数据分析,发现开普勒-452b的信号可能是假的。看来要找到第二个地球确实非常困难。


Kepler-452b行星/NASA


所以说从这个角度来讲,我们确实还没找到跟地球相似的绕着类太阳周围的宜居行星。下面这张图纵坐标是质量,横坐标是轨道周期,把目前找到的所有的系外行星画在这张图上。绿点是用凌星法,即开普勒卫星用的方法,找到的大量行星。蓝点是用视向速度法找到的行星。再一个就是黄点,是用微引力透镜的方法,即测量引力聚焦背景的恒星光导致的光变的方法。


这三个方法到目前为止都没找到第二个地球,在地球“位置”上还没有任何其他行星,但是这些方法发现的行星都已经非常逼近这个位置了。



我国的地球2.0空间卫星项目


我领导的地球2.0空间卫星项目,目标是利用凌星法寻找类地行星。我们的目的是设计出一整套的空间载荷,包括六台30公分的广角望远镜,对开普勒附近的天区继续观测。我们希望在这里面观测四年,最后能找到若干个跟地球一样的行星。同时我们也希望通过空间微引力透镜的方法,对着银河系中心区域去观测。




我们要把卫星发射到离地球大概150万公里的拉格朗日L2点,入轨后盯着开普勒和开普勒附近的天区连续观测。如果某一个恒星周围有宜居行星,凌星现象会导致光变,如果找到的恒星比较安静,经过一年的持续观测,就能看到这万分之一的光变。


同时我们对着银河系中心区观测,由于引力聚光效应,如果行星刚好经过我们的视线方向,背景的恒星光就会放大变亮。从地球和卫星同时观测,就会观测到先后不同时间发生的背景恒星变亮,进而确定通过行星的位置和质量。


我们的卫星轨道伴着地球一起绕太阳转动,并确保卫星的载荷背对着太阳、地球和月亮方向,以减少来自这些天体的辐照和杂散光。这样的卫星和轨道设计,容许我们同时对开普勒的天区和银河系中心区进行观测。


地球2.0预期发现的系外行星质量和轨道周期的分布。预计将在类太阳3恒星周围发现大约20个宜居的地球大小的行星,即地球2.0


这四年期间,发现的行星数目会不停增加,预测ET卫星能够观测到约3万个系外行星,包括5000个左右跟地球大小的类地行星,10来个跟地球相似的“第二个地球”。


我们卫星设计跟其他的相似项目有什么区别呢?区别就在于我们的卫星有大的视场,能看到更多的安静的恒星,增加了可观测的恒星样本到100多万多个。跟欧洲的PLATO比,我们的深度、口径比它大得多。这样使得我们的综合性能最好。


我们希望通过ET卫星发现大量样本,研究一下类地行星是怎么形成的。另外,我们也可以通过微引力透镜的方法,找到若干个流浪行星。


后续的项目计划


前面我们介绍了红矮星附近的宜居行星能否存在生命形态还有争议。而这颗ET卫星,预计能在类太阳恒星周围找到十几个地球大小的“第二个地球”。但即使我们找到了,上面是不是就一定有生命?这成了下一步的重要工作。


我们找到这些候选者之后,就可以使用未来地面的国际30米望远镜进行跟踪观测。这是由美国、加拿大、日本、印度和中国五个国家参与的国际合作项目。我们可以用这个望远镜对它进行视向速度观测,把行星的质量、密度定下来。


国际30米光学望远镜(TMT),2030年?


密度定下来后,我们就知道它是不是岩质的。如果是岩质的,质量又足够大,有板块运动,有碳循环,可能就是宜居的,而且能长期保持宜居环境。除此之外,30米望远镜还可以在凌星的时候测量行星大气吸收光谱,证明它上面是否有臭氧,甚至有水有氧气,来进一步验证生命的存在。


这种系外生命的搜寻需要未来几十年的努力,所以在座的尤其是中学生、大学生,你们都是未来的希望,今后可以加入到空间探索,一起揭开宇宙的生命之谜——我们到底是不是宇宙中唯一的生命,还是生命普遍存在?今后甚至可以跟外星人真正接触,能够相互交流发展的技术等等。


葛健:现为中国科学院上海天文台讲席教授,长期从事实测天文、天文技术和仪器研究。1989年获中国科大的理学学士,1998年获亚利桑那大学天文学博士,曾为佛罗里达大学终身教授,宾州州立大学助理教授,和利物浦国家实验室博士后。葛健是科学院空间先导地球2.0科学卫星背景型号研究的创始人和首席科学家、达摩近邻宜居行星巡天的创始人和首席科学家、科幻片《星际迷航》中的瓦肯星系外行星的发现者、全球首位找到系外行星的华裔科学家、国际斯隆数字巡天三期MARVELS多目标地外行星巡天创始人和首席科学家、美国航空航天局TESS空间探索项目合作伙伴、中国国际30米望远镜科学咨询委员会成员和中国科技大学客座教授等。2018年入选《中国留学生的四十年》。


本文来自微信公众号:墨子沙龙(ID:MiciusSalon),作者:葛健

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