尋找下一個地球,我們會成為星際移民嗎?_風聞
造就-造就官方账号-发现创造力2019-06-29 13:23
造就第315位講者 賙濟林
南京大學天文與空間科學學院院長
今年4月16日,NASA發射了一顆巡天衞星,名為TESS(凌日系外行星巡天衞星),它的主要目標是尋找更多的系外行星。
為什麼要去尋找太陽系以外的行星?究其原因,還是回到那個至今仍未解開的疑問:人類從哪裏來?又將要到哪裏去?
著名科幻小説《三體》所描述的就是文明生存的競爭,也是居住地的競爭。書中「三體文明」處於半人馬座α星,是距離太陽最近的恆星系統。但由於它是一個三星系統,即由三顆恆星組成,運動並不穩定。
當三顆恆星引力相對於行星不平衡時,就出現了小説中描繪的「亂紀元」世界:要麼三個太陽同時出現,要麼一個太陽都沒有,人們在煎熬中等待「恆紀元」出現,他們嚮往如地球一般安穩的宜居家園。
01
類地行星離「宜居」二字還差得很遠
為什麼我們已經生活在地球這個安定的星球上,卻仍然要去尋找適合人類居住的行星?
因為人類不可能永遠生活在這個搖籃中,我們這是在為未來做打算。
那麼,什麼樣的行星是宜居的?
**第一,類地行星,擁有固體表面。**迄今為止我們所發現的行星,歸納起來可分為兩類:類木行星和類地行星。如果行星的質量大於10個地球質量,那麼它就可以顯著地吸收氣體,形成類木行星;反之,小於10個地球質量則多半是類地行星,因為它沒有機會得到更多的氣體。
**第二,存在液態水,且位於宜居帶上。**行星的宜居帶必須與主星之間有一個合適的距離,而這個距離的遠近取決於主星的大小。主星越小,與宜居帶之間的距離就越近,輻射也就越強,人類在這樣的星球上是沒辦法生存的。
我們希望找到一個像太陽這樣的恆星,那麼位於其宜居帶的類地行星就是「下一個地球」。
**第三,主星輻射不能太強。**地球之所以適合人類生存,是因為它遠離太陽,且星球內部有液態核,形成一個磁場,從而保護了我們的生命。這也是人類的幸運之處。
02
改造火星只需一個陽光棚
相比之下,我們的鄰居火星就不是那麼幸運了,它雖然也處於太陽的宜居帶,但是現在卻沒有生命。
研究表明,火星以前可能是有生命的,後來由於某種原因,比如受到小行星的碰撞,把它的液態核撞沒了。要知道,液核很多是帶電的離子,流動起來會產生磁場,沒了它,保護大氣的磁場也就消失了。所以,火星現在幾乎沒有大氣,也就不適合人類居住了。
有人提出,我們能不能改造火星,使得它適合人類居住?這當然是可以的,但所需要的成本非常大。關於改造的方法,我想最多有兩種:
小改造:搞個陽光棚,裏面種點花花草草,這樣人在那裏至少可以生存了。
大改造:搞個液態核,讓它有磁場保護,這個難度就太大了。
當然,仍然有人會去嘗試,比如馬斯克的「火星移民計劃」。我們不清楚這個計劃要付出多少代價,但至少他已經算出了每個人去火星的成本,甚至連單程票價都出來了。如果真的可以實現,我們將來最好是買往返票,這趟旅程也許會很寂寞。
03
系外行星是怎樣被發現的?
經過人類的不懈努力,終於在1995年發現了第一顆太陽系以外的行星,這歸功於瑞士的兩位科學家。那麼如何探測行星呢?
視向速度法
大家都知道行星是很暗的,根本看不見,怎麼辦呢?我們可以去看恆星。因為行星跟恆星繞着公共質心在轉,所以我們觀測的那個恆星,它其實有個像身份證一樣的東西——光譜。光譜有很多譜線,如果這個恆星不動,譜線是固定在某個地方的;一旦恆星開始運動,那這個譜線也會移動。

就像高鐵,它離開我們時聲音會變緩,而向我們運動過來的時候,聲音就比較尖鋭,這就是多普勒效應。利用這個原理,我們就可以反推出恆星運動的原因,是不是因為它受某顆行星的影響。於是,第一個太陽系外行星就是這樣被探測出來的,下面這張就是它的軌道週期示意圖。
凌星法(transit)
凌星法是目前被廣泛應用的系外行星觀測方法。它的原理很簡單,當行星正好從你的視線與恆星之間經過時,你認真觀察恆星,就會發現它的光度發生變化,而且這個變化是週期性的。當然,這個變化的大小取決於行星的大小。例如,木星的大小是太陽的十分之一,所以它這個光度的變化就是百分之一。

小朋友們聽到這個,可能會想:今天晚上我去看星星,盯着看它能不能掉下來,如果掉下來就發現了一個行星。要知道,這個通常肉眼是分辨不出來的,要通過衞星去探測。
04
發現地球的「表哥」有什麼意義?
TESS、James Webb、開普勒等,科學界發射的望遠鏡幾乎有一半都在尋找系外行星。在這裏,要重點説下開普勒太空望遠鏡,在它短暫的「壽命」中,發現了超過三千個系外行星,這是人類文明一個重大的進步。
開普勒發現的行星中,有一個跟地球非常相近,可以説是地球的「表哥」,被命名為開普勒452B。它的主星也很像太陽,但是遺憾的是它離我們太遠了——1400光年。「移民」到這個星球的旅程很可能是單程的,非常危險。但無論如何,我們至少看到了希望,遠的已經找到了,近的還會遠嗎?
那麼,迄今為止,人類找到了多少個類地行星?
如果以半徑或者質量這個標準來看,大概有700到800顆。但如果我們除去遠距離的那些,只統計一百個秒差距,也就是300光年以內的類地行星,就只有30顆。把距離再放近一點,60光年以內,這在天文上已經很近了,這樣就只剩下10顆。
這10顆行星大部分都來自於一個叫trappist-1的系統,我們中國稱之為葫蘆娃系統。它的主星是一顆矮星,比太陽小多了,但是它帶領着一串類地行星。遺憾的是,它們離我們依然很遠。**真正離我們近的,在10個秒差距(約30光年)以內類似太陽這樣的恆星系,還沒有找到宜居帶行星。**當然,我們有義務繼續尋找。
05
中國的巡天之路
前面提到了很多國外的空間項目,那麼我們中國有沒有自己的巡天衞星呢?
我和同事們也都提出了一些項目,比如為宜居的類地行星「拍照」,我在前面介紹過的類地行星都是沒有成像的,我們希望通過光干涉將行星和恆星分開來再去成像,先把它的圖片拍出來。
但是大家也知道,空間項目的週期很長,可能從你提出計劃到衞星上天,花上十年的時間已經很幸運了。那麼,在此之前我們總要做些事情。
我們課題組參與了南極的一個巡天項目。那裏冰天雪地,氣候寒冷乾燥,條件非常艱苦,但這片大陸也擁有天文學家最喜歡的連續42天的極夜。
由於冬季氣温很低,最低可達到零下83攝氏度,人在那裏是沒辦法過冬的。所以,我們會先在頭一年的夏天派科考隊過去,把望遠鏡放置並調試好後離開,讓它工作一年,第二年夏天再去把數據「扛」回來,或者通過衞星來傳輸。
通過這樣的觀測模式,我們這個課題組利用圖中這幾個望遠鏡,在2014年發現了200餘顆高置信度的系外行星候選體,成為世界上第一個在南極天區發現系外行星的科考團隊。2017年,我們又在南極發現了最大批量的系外行星。
除此之外,我們也在號稱「世界第三極」的西藏也設立了天文台。位於海拔5100米的西藏阿里天文台已經建成了一半,其中有一個平台,我們稱之為平行頂。在這裏將放置五個小望遠鏡,進行系外行星的搜尋,期待能收穫好的結果。
最後,回到一開始提到的問題:人類為什麼要探索宇宙?
這個問題答案很多,科研方向不同,回答自然也不同。從我的角度看,**我們探索宇宙的目標,是尋找另外一個宜居的類地行星,尋找我們另外的家園。**當然,這件事不是一蹴而就的,可能需要幾代人的努力。