寻找地球2.0,答案或将由中国给出-深度-知识分子

寻找地球2.0,答案或将由中国给出

2019/12/18
导读
视野决定成就

当地球上的大多数人们正在为气候变暖,塑料泛滥,猪肉价格,橘发小丑,英国脱欧,儿女教育等各种各样的麻烦打破脑筋、一筹莫展的时候,一小群人悄悄地把目光对准了深邃的太空。他们致力于回答一个与现实毫不搭噶的问题:在这个宇宙里,地球是否孤独?


(图源:参考资料[1])


撰文 | 武延庆(多伦多大学)

编辑 | 韩越扬

从远古起,我们的祖先夜夜凝望天空,早就熟悉了星星和太阳绕着地球,日升夜降的作息。可是五百年前哥白尼跟我们说,不对,不是太阳绕着地球转,而是地球绕着太阳转。这之后,地球的神圣位置一降再降。再后来,天文学家发现太阳只不过是伟大的银河星系里,一个平凡得不能再平凡的恒星,而银河系又只是宇宙里一个平凡得不能再平凡的星系。这让我们人类怀疑,自己在这个宇宙中是否独特。地球上的生命和智慧,我们引以为傲的技术和进展,在这个宇宙中是否只是一件寻常事情?外星智慧也许跟我们只有一河之隔?

这样的想法只是一个设想。目前不仅外星智慧尚无影无踪,就连著名的估算星际文明的德雷克公式(Drake equation)里, 我们也只对前两项有所了解:银河系内恒星的数目,和恒星中拥有行星的比例。迄今为止,我们对第三项,拥有宜居区内的类地行星的比例(所谓的η地球),了无所知, 因为我们只知道太阳系里的地球。德雷克公式后面的几项,都跟生命有关,我们更无从谈起。


图1. 德雷克公式(图源:sites.psu.edu)


本文要说的是,以现在的技术,我们可以在几年内找到地球2.0并测量η地球。更让人兴奋的是,中国的空间技术,或将帮助人类找到这个答案。


地球2.0与生命的偶然?

生命在地球上起源,然后产生智慧,说起来好像顺理成章。可是用哲学的名句刷一刷:存在是合理的,但不一定是必然的。现在的科学研究让我们认识到,地球生命的产生,或许只是一些偶然事件的积累。


先讲地球的轨道。地球离太阳的距离, 不远不近,正好在我们所说的恒星宜居带里面(图1)。假若地球离太阳近一点,地表温度略高,温室效应强烈到大气里的水汽会越聚越多,温度继续升高,我们会走上金星的不归路。又假设地球离太阳稍远一点,表面温度将会下降到零度以下。水汽凝结成冰,冰封大地,太阳光都被反射回外空,地球会变得像火星那样,一年四季冰洋不化。


图2. 地球轨道正处于太阳类恒星的宜居带里(蓝色)。这里,温度合适,行星表面可以有液态水存在。宜居带随恒星大小而迁移:恒星越小,宜居带就越靠主星。目前,受技术限制,不少天文项目都只在质量较低的恒星周围寻找宜居带行星(如NASA的TESS任务)。但是,这些行星可能由于自旋同步,恒星耀斑等原因,环境太恶劣而不适合生命起源。生命可能偏爱太阳类恒星的宜居带。(图源:参考资料[3]


再讲地球的质量呢,也不大不小,恰到好处。假设地球质量再大一点,重力增大,我们的化学火箭不足以发射卫星。除非有原子能,航空航天将无从而来。天文学也只能停留在地表。假设地球的质量小了一点,重力减小了,大气里的水分子却又容易被太阳风刮走。我们的大气日渐稀薄,环境会变得像火星一样恶劣。

地球的大气层和海洋,也是调节得非常完美。大气里的二氧化碳浓度太高了,全球会变暖得比阿拉伯酋长国的沙漠还热;浓度如果太低了,地球又会变成一个冰封万里的白色星球;地球的大气,如果不是由透明的氮气和氧气组成,太阳光穿越不到地表,也就不会有光合作用。海洋占地球表面的70%面积。生命在海洋里顺利演化成功,才登上陆地。可如果海洋太大,没有了陆地,也就没有了生火做饭的炉头,人类智力的进化会迟滞许多,当然也就没有了蒸汽机和集成电路……

缔造出人类智慧的这些偶然事件,在系外行星上是否会再次出现?没有人知道。但是如果我们能找到第二个地球,科学验证就成为了可能。

受现在的技术限制,我们不可能找到与地球一模一样的行星。所以我们退一步而寻找所谓的地球2.0——一些与地球大小相似,轨道相似,主星相似的行星。在所有的系外行星中,它们的环境最有可能孕育生命。


开普勒计划:2009-2013

就算不那么了解天文的读者可能也知道,寻找系外行星不是一件新鲜事。我们现在已确认了4千多个系外行星。可是,这里面,居然没有一个长得像地球!


这个故事应该从1995年开始讲。这一年,两位瑞士人(Mayor & Queloz)用法国南部的一个2米小望远镜探测到了第一个系外行星,这个发现立即被美国人Marcy & Butler确认。2019年,前面两位荣获诺贝尔物理奖,而Marcy却因性骚扰指控缠身,被UC Berkeley辞退。


图3. Mayor & Queloz(图源:nobelprize.org)


这20多年来,地面望远镜已找到了近千个系外行星,这些大多也是通过径向速度法(走Mayor&Queloz的老路),也就是观测恒星在隐形行星的引力下来回摇摆而找到的。这样找到的行星大部分与木星一样质量庞大,离我们要找的地球2.0相差甚远。

幸好,这不是人类唯一的魔法。早在1984年,当我们对地外行星还一无所知时,William Borucki,时任NASA工程师的一个传奇人物,就已经先知先觉地在筹划另一种寻找办法了。他的想法很简单。每当金星凌日(太阳-金星-地球三体联线),金星把太阳的极小一部分挡住,太阳就变得暗了点。一个位置合适(而且足够聪明)的外星人也可以通过观测地球凌太阳,来发现我们的地球。当然,凌星事件发生的概率较小,要找到地球2.0,必要观测大量的恒星,并且要不眨眼地凝视很长的时间(几年)。另外,我们的测光仪器要足够精确:地球凌太阳时,只遮住了太阳光盘的万分之一(图2)。


图4. 自从1995年的第一纪录至今,每年发现并证实的系外行星数目。开普勒卫星的入场(2009年),使凌星法(绿色)主导了近十年来的发现空间。外星世界的丰富性正在我们眼前快速展开。(图源:参考资料[6])


所以虽然这个办法很浅显,NASA(美国航空航天局)却不买账。从1992年Boroucki第一次提议,这个项目接连五次都被NASA用技术不够成熟的理由绊倒。幸亏William Borucki这个人不仅先知先觉,更有超于凡人的毅力。他不泄气,耐着性子在地面上发展探测器和探测技术,把技术难关一个个克服,最后终于说服NASA,在2009年把探测望远镜升上了天空——这就是NASA的开普勒(Kepler)计划。


开普勒卫星打开了观察宇宙的一个大窗口,几年之内它单枪匹马地发现了近三千个系外行星(图2),不仅让人类所知的地外行星数增长了好几倍,更重要的是,开普勒卫星使人类大开眼界,颠覆了我们对系外行星世界的认识。

传统的径向速度法告知我们的大都是些巨型行星(类似于木星和土星,但也有些例外),而开普勒揭示了宇宙内一类前所未知但又极其普遍的行星种群(超级地球和亚海王星,见图3)。这些小型行星绕着银河系中大约三分之一的恒星近距离运转。它们比巨行星更为常见三倍,也比后者更令人兴奋:它们的大小,与地球相差不远了。


图5. 开普勒任务发现的小型行星在半径和轨道周期的分布。绝大多数这些行星属于所谓的“超级地球”或“亚海王星”,它们在日地距离以内围绕主恒星运行,其大小为1到4个地球半径。现在普遍认为它们代表了一代行星。开普勒没有找到地球2.0(绿色框),但是找到了一些不在宜居带的类地行星,并且逼近绿色的宜居区域。图源:参考资料[9]


开普勒计划成就了整个行星科学领域辉煌的十年(也让不少人成功拿到教授职位)。可是辉煌中,又有一个未言的遗憾。开普勒计划的初衷,是寻找像地球一样的行星。可是它找到的几千个行星里,居然没有一个长得像地球!


有人问,你怎么知道那些行星长得像还是不像地球?

不管是径向速度技术探测到的巨型行星,还是开普勒任务发现的亚海王星,它们都可被称为“一代行星”(太阳系的土,木,天王和海王星就是例子)。它们的表面笼罩着厚厚的氢气,表明它们是在恒星生命早期的时候形成的。这时,恒星周围还环绕着一个氢气盘,是造星工程的废弃材料。就连那种叫做超级地球的,虽然它们拥有固体的地表,现在理论认为它们其实也是亚海王星,只不过因为太靠近主星,被恒星强烈的X射线剥掉了其与生俱来的氢气大气,留下一个裸露的核。相比之下,地球和它的小伙伴行星应该被称作“二代行星”。它们可能是氢气盘消失后, 不知道哪来的残渣碎片碰撞聚拢而成。

一代行星不太可能孕育生命。假设你运气不好,出生在这样一个行星上头,你会慢慢地随风飘落(厚厚的氢气)到一个软塌塌的地面— 氢气的温室效应将使行星温度保持在几千度之高,足以融化钢铁;就算那些裸露的行星(超级地球)也好不到哪。这些超级地球离主星这么近,它们的岩石地表, 就算没有热得变成熔浆,也离这个温度不远了。反而,正如我们在地球上见证的那样,二代行星的环境对生命形成和演化更友好些。它们的地下和大气可能包含生命所需的化学元素(碳,氧,氮等),它们的大气层可能相对较薄,产生恰当的温室效应。


不幸的是,开普勒不仅没有找到地球2.0,连二代行星好像都没有找到几个。难道是太阳系里出了什么意外,才产生地球这种异物?


开普勒的失败,一个可能的解释是因为在宇宙里,地球真的是孤独的。但是,现在还不是放弃搜索的时候。开普勒的失败还有另外几个原因,足以让我们坚持找下去。

第一,恒星不“恒”。恒星表面气候复杂多变,它们的亮度也不停变化。开普勒上天后,收到了一个令人不悦的礼物:恒星的闪烁不定,比我们的预想糟糕多了。在这嘈杂的背景下,开普勒没法听到一个万分之一以下的微弱信号。

第二,厂家质量把关不够。开普勒运行4年之后,两个反作用转动轮连续失灵,整艘耗资6亿美元的飞船就因为这些价值20万美元的陀螺仪发生故障而报废,从此变成了游荡太阳系的孤魂野鬼。

但是,在开普勒所凌视的几万颗恒星里,很可能地球已经开始现了踪迹。只不过因为它们的声音太小,被埋藏在恒星的噪音里,无法解读。而开普勒的英年早逝,又使它功亏一篑,与地球失之交臂。开普勒的这个遗憾,人类能否弥补?


地球2.0与中国空间计划

2019年12月3日,一场答辩会正在中国空间中心紧张地进行中。上海天文台和南京紫金山天文台各提出了一个寻找地球2.0 的空间计划,评委们正在听取报告,频频发问,裁断孰胜孰负。


上海台的计划,简称为ET(EarthTwo),由7个中等大小的广角望远镜组成(图4)。这个卫星准备瞄准开普勒及其附近的几个天区,持续4年监测二十多万个亮星,以捕抓到行星凌星时的微弱信号。目前猜测每十个太阳中大约有一个有地球2.0(也就是前文所说的η地球~10%)。如果对的话,ET就能在4年内找到十几个地球。除此之外,ET还能找到近千个宜居带外的类地行星,对这些二代行星进行第一次“人口普查”。


图6. 上海天文台提出的ET卫星计划。七个广角望远镜分别凝视着开普勒已观察过的天区及其邻居区域, 通过仔细测量二十多万个恒星四年中每刻的光度,捕抓到小型行星凌星时的微弱信号。即使每十个太阳中只有一个有地球,ET也能在4年内找到十几个地球。除此之外,ET可以找到成千上万个不同种类的系外行星,包括地球的远亲近戚。ET虽然比开普勒卫星体积小,造价低,但是它的科学产出预计会与开普勒毗美。中国的天文学家们还相信,这个计划甚至比欧空局正在建造的PLATO飞船更有把握成功。


在四年内,一个比开普勒更小的卫星怎么就能完成开普勒未尽的业绩?除开这十年来的技术进步外,还可以这么解释。设想你在一个嘈杂的酒吧里跟人聊天,你的声音太小,对方听不见,你得说多几次才有效果。我们要寻找的地球,其实可能已经在开普勒繁浩的数据里有了踪迹,我们只需要再认真听几次,就可以把它们捕抓到。开普勒留下的其实不是遗憾,而是一个淘金窟。


紫金山台的卫星计划,更是独辟蹊径。这个大胆的计划力主发展另外一种寻找行星的办法,叫做“天测”。观测恒星在行星引力的作用下,在星空上的微妙舞步。要探测到地球,这个技术需要达到一个前所未有的精度:毫角秒——这相当于分辨出两根并排放在月亮上的牙签。但是,确实值得静下心来,下大力气攻关。

寻觅地球2.0的过程最大地挑战了人类的创造力。而上海台和紫台的两个计划互补互助,从不同方向,用不同步骤冲刺。地球是否孤独的命题,很有可能是由中国空间科学骄傲地解答出来的。


世外桃源

找到地球2.0,可不是指望移民到那儿。这些充满异星情调的世界,动辄离我们几十光年甚至上百光年。不过,地球人类正在建设各项空间和地面的巨大望远镜,准备耐心地盯着这些小星球(特别是那些凌星的地球),远距离地勘测它们是否孕育生命。下一场的好戏将更加精彩!


找到地球2.0,整个人类就像一个从封闭山沟里突然蹦到大城市的小孩,他的眼界突然开阔丰富了许多。“视野决定成就”,我们身边的一些难题,是不是也会迎刃而解?


作者简介:武延庆,多伦多大学天文系教授。本科就读于中国科技大学地空系,后获加州理工学院天体物理博士,并在伦敦大学和多伦多大学做博士后研究。目前主要研究方向是行星结构和形成,行星盘及其他。她参与ET计划的科学设计。


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参考资料

[1] https://www.nasa.gov/ames/kepler/earths-bigger-older-cousin-artistic-concept

[2] 德雷克公式:https://baike.baidu.com/item/德雷克公式

[3] 宜居带:https://en.wikipedia.org/wiki/Circumstellar_habitable_zone

[4] 寻找系外行星的现有技术:https://en.wikipedia.org/wiki/Methods_of_detecting_exoplanets

[5] 2019年诺贝尔物理奖:https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/advanced-information/

[6] 系外行星数据库:https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu

[7] William Boroucki的故事: https://www.nasa.gov/feature/keplers-borucki-retires-after-five-decades-at-nasa

[8] 开普勒反作用轮故障: https://www.nature.com/news/the-wheels-come-off-kepler-1.13032

[9] 恒星闪烁对开普勒的影响:https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2011ApJS..197....6G/abstract

[10] 30% 的恒星有小型行星:https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018ApJ...860..101Z/abstract

[11] 超级地球和亚海王星的血缘关系:https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017ApJ...847...29O/abstract

[12] 系外行星的研究未来(欧空局):https://sci.esa.int/web/exoplanets/-/60657-the-future-of-exoplanet-research

[13] 系外行星的研究未来(NASA):https://nightsky.jpl.nasa.gov/news-display.cfm?News_ID=692

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