茫茫星海中 给地球找个“兄弟”

2018-05-31 09:18 来源:科技日报 
2018-05-31 09:18:05来源:科技日报作者:责任编辑:宋雅娟

  当太阳变成红巨星时,宜居带将外移至木星和土星轨道处。

  在从美国佛罗里达州搭乘火箭升空近一个月后,美国国家航空航天局(NASA)的凌日系外行星勘测卫星(TESS)发回了它的第一张照片。虽然只是一张测试曝光照片,却让我们看到银河系超过20万颗恒星,也让人们对它即将展开的行星探测任务充满期待。

  实际上,视力更强、视场更大的TESS望远镜,只是人类寻找系外行星诸多努力中的一种。通过太空和地面望远镜,人类已经在太阳系之外发现数千颗行星。它们中的不少已经让人们为接近找到“另一个地球”这个目标而兴奋。那么,要成为地球的“兄弟”,行星需要满足哪些条件?现在,我们离这个目标还有多远?

  宜居要有“兄弟相”

  看行星和地球有没有“兄弟相”,是天文学家判断未知星球宜居与否的重要依据。“目前宜居星球的唯一参照物就是我们的地球,所以很多研究都是以地球为样本。”香港大学地球科学系博士后张晓佳说,宜居星球的判定依据包括古时候的气候、大气组分、大陆板块、是否有磁场保护等。

  地球是一颗炫丽的蓝色星球。要与它相似,表面是否有液态水是首要因素。清华大学地球系统科学系教授田丰表示,目前对太阳系外宜居行星的研究仍主要关注液态水存在的环境。“一颗系外行星的质量、其围绕恒星的光度和活动性、以及恒星与行星之间的距离,都需要满足一定条件从而确保该行星能够拥有液态水。”田丰说,符合这些条件的行星可以称为疑似宜居系外行星。

  例如,离恒星太近,会导致星球温度太高,难以保存液态水。“有理论认为由于金星距离太阳过近,它表面的海洋在最初的1亿年左右的时间里逃逸了。”田丰说,这对宜居系外行星在自身行星系统中的位置提出了要求。

  “但太阳系中地球的位置只能做参考,目前发现的绝大多数疑似宜居系外行星的恒星都是红矮星,质量和能量都比太阳小。”田丰说,这意味着宜居星球与恒星的位置可以近一些,但近多少还需要具体观测。

  要考虑的第二个因素是行星表面物质状态。“岩石行星是首选。”张晓佳说,这个要求限定了星球的密度。在观测中,不是每一个系外行星都能同时测得质量和大小从而估算出密度。一般认为大小在地球2倍以内的行星是岩石行星的可能性很高。

  “裙带关系”漏天机

  一个个地排查行星与地球是否有“兄弟相”,就像掀开一块块石头看底下有没有生命一样费时费力。资料显示,到2018年人类已经发现近4000颗系外行星,此外还有数千颗候选行星。

  由于恒星是行星系统中的“主宰”,天文学家转换思路从“主宰”的角度研究宜居性。“根据恒星辐射量,确定一个宜居带,位于那里的行星表面极有可能有稳定存在的液态水。”张晓佳说,可以参考太阳系的行星给出一个大致范围,比如已知金星的情况以及它接受到太阳辐射量是地球的1.9倍,可以认为接受到恒星辐射量超过这个数值的系外岩石行星温度过高而不宜居;辐射量下限则可参考早期火星。通过与其他参数共同推算行星表面温度,可得出一个恒星周围的宜居带。

  在与恒星有某些特定的“裙带关系”的区域内寻找宜居行星,成功几率更大。由欧洲南方天文台长期观测发现的比邻星b几乎符合所有的宜居条件。资料显示,它的半径在地球半径的0.94—1.4倍之间,质量约为地球的1.3倍。虽然它与比邻星(它的母恒星)的距离是水星距离太阳的1/10,但比邻星是个红矮星,比邻星b受到的恒星辐射远远不及太阳给水星的辐射量。

  与恒星恰好的距离以及自身合适的大小,让比邻星b成为最有希望的宜居星球,天文学家预测这里可能拥有温和的大气、海洋、岩石。

  另一个被两位专家同时点名的宜居行星是kepler-186f。张晓佳介绍,它是第1个在宜居带内发现的大小接近地球的系外行星,但质量和组成不确定,因为距离太过遥远,目前的技术无法观测得到行星大气信息,并不确定它是否宜居。“一个简单的模型推测其温度可能在零摄氏度以上,同系统内的其它四个行星因为与恒星距离太近,都不在宜居带内。”张晓佳说。

  “NASA的开普勒天文卫星发现了十几颗疑似宜居系外行星,但都在距地球500光年以外,”田丰说,未来也很难用望远镜来观测并确定其宜居性,更无法通过观测来发现上面的生命,真正是“遥不可及”。

  寻找在曲折中前进

  离错误的目标越近、离正确的目标可能越远。因此,在宜居行星的搜寻中,总会有不同的研究团队站出来唱唱反调。

  在发现比邻星b后不到一年,就有研究团队表示,恒星巨大的耀斑很可能早就将这个星球上的生命“摁灭”在萌芽阶段。团队通过设计一个红矮星宜居带新模型,将红矮星可能频繁爆发耀斑的因素考虑在内,将比邻星b的距离、大小等因素模拟进模型中,研究耀斑产生大量X射线和远紫外线辐射对行星的影响。最终得出结论,耀斑可以剥离轨道行星大气层中分子的电子,驱逐构造生命的重要元素。

  这个模型提出了新的观点:虽然红矮星这个“火炉”烧得不旺,但是靠得太近可能会使行星遭遇温度之外的其他危险。

  不只比邻星b,其他疑似宜居星球也先后被相关研究“质疑”。例如被称为“太阳系姊妹”的TRAPPIST-1行星系统有7颗类地行星,其中1—3颗在宜居带内。而一项研究表明,为了抵抗来自母恒星的电磁风暴,这个系统中的行星必须要有强度为数十到数百高斯的磁场,而地球磁场只有大约0.5高斯。

  在发现、质疑、再发现的轮番出场中,天文学家还是对发现宜居行星充满信心。“应该说已经找到疑似宜居系外行星,接下来是要依靠观测确认这些行星的宜居性。”田丰表示,“美国的詹姆斯·韦伯太空望远镜将有能力观测系外行星的大气,幸运的话2020年发射后不久就有消息了,不走运的话要十年以上。后续跟进的系外行星搜寻计划将在不久的未来发现成百上千颗太阳附近的岩石行星,为更进一步通过观测了解系外行星的宜居性和生命信号提供重要目标。”(张佳星)

[责任编辑:宋雅娟]

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