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地外生命:风景这边独好?天涯何处无芳草

来源:光明网2019-08-12 17:56

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  大约20万年前,发源于非洲的智人逐步向亚洲、欧洲迁移。得益于更大的脑容量和更细致的石器制作技术,他们成功取代了当地的直立人。15世纪,随着航海技术的发展,欧洲人开始了对亚非欧大陆以外世界的探索,发现并占领了“新大陆”,即美洲大陆。从20世纪中叶开始的第三次科技革命,引发了人类新一轮的对外探索,人造探测器已经飞出了太阳系,人类的足迹也可能在20年内到达火星。未来的巨型太空望远镜或将直接看到几十光年外的类地行星。

地外生命:风景这边独好?天涯何处无芳草

图1.太阳系

  我们并不清楚科技时代之前的两次迁移是为生活所迫,还是源于对未知世界的好奇,亦或兼而有之,但毫无疑问,最新一轮探索的内在推动力主要是好奇,毕竟在这个年代,人类生活富足。为了生存而探索外太空?不存在的!

  那么“好奇宝宝”科学家们到底在好奇什么呢?他们好奇的是,地球和地球上繁衍的生命在宇宙中是否独一无二,人类是否是飘荡在茫茫宇宙、亿万星系中的一缕孤魂,是否在另外一个星系、另外一个星球上存在着生命,存在着智慧与文明,甚至存在着可以实现空间跳跃、降维打击的高等文明?

  天文学发展到今日,人类已经知道这个宇宙有千亿个类似银河系的星系,每个星系有千亿颗恒星,平均每3颗恒星周围有一颗行星,每2.5-30颗类太阳恒星周围有一颗宜居带类地行星,或许还有更多的卫星。比如太阳系,有8颗行星、几百颗卫星,其中与地球尺寸类似、在过去或现在或将来可能拥有生命的行星和卫星不止5颗。因此,宇宙中类似地球能够孕育生命的星球可能有3千亿亿颗!当然,能够孕育生命不代表一定会孕育和发展生命,更不能代表在某时刻有生命和文明存在。

  Frank Drake在半世纪前提出了著名的Drake公式,用于估算银河系内能与我们通讯的文明的数量N。令人啼笑皆非的是,不同的研究给出的N值范围很广,从9.1×10-11到15,600,000,相差18个数量级。窃以为这样的研究,倒不如掷硬币,正面表示“风景这边独好”,反面表示“天涯何处无芳草”呢。

  当然,人类并不满足于这个过于简单的Drake公式,而是在循序渐进的用科学的方法来搜寻地球外的生命,包括太阳系内的行星和卫星以及太阳系外的宜居带类地行星。由于专业水平有限,在此笔者只简要介绍太阳系外行星探索中立下汗马功劳或已列入计划或还处于讨论之中的空间望远镜项目(图2)。

地外生命:风景这边独好?天涯何处无芳草

图2.美国航空航天局NASA和欧洲航空局(ESA)已开展、即将开展或在讨论建议之中与太阳系外行星研究相关的空间望远镜项目

  这些项目分两类,一类是搜寻行星,一类是研究行星。前者包括成果丰富、独立发现超过4000颗行星候选体的开普勒(Kepler)巡天项目,和刚投入使用的、期待发现类地行星的苔丝(TESS)巡天项目,以及计划2026年开始工作、旨在搜寻宜居带类地行星的柏拉图(PLATO)项目。这些行星猎人(planet hunter)项目,将发现大量的系外行星和几十到上百颗宜居带类地行星。所谓宜居带,指的是行星系中适宜生命存在的区域,主要依据是行星表面存在液态水,以供生命的孕育和早期发展。目前已发现的宜居带行星大约50颗,而它们大部分是在比太阳活跃许多的M型矮星附近,研究表明恒星获得很可能迅速摧毁岩态行星的大气,使得行星不再宜居。

  撰写本文时,笔者正在第一届TESS科学会议现场,许多令人兴奋的新发现如雨后春笋,比如TESS发现小于三倍地球半径的行星可能比理论预研更多,比如发现了更多的宜居带类地行星,可惜绝大部分内容不允许在社交媒体发布,不然可以朋友圈发很多美图了。

  瞄准这些太空探索项目发现的类地行星和宜居带类地行星,以及太阳系周围的恒星,天文学家提出了更多旨在探测这些类地行星大气的计划,包括专用于探测行星大气的CHEOPS(CHaracterising ExOPlanet Satellite)项目,ARIEL(Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large survey)项目和HabEx(Habitable Exoplanet Observatory)项目,以及通用空间望远镜但主要科学目标之一是研究类地行星大气、探索生命起源的JWST(James-Webb Space Telescope),LUVOIR(Large UV/Optical/IR Surveyor)和OST (Origins Space Telescope)。

  其中,CHEOPS的主要科学目标是精确测量行星/恒星半径比,ARIEL只能针对大的、热的行星做大气研究。口径4米的HabEx和6.5米JWST望远镜应该能够对岩石行星进行初步的研究,但对于类太阳恒星周围的宜居带类地行星几乎无能为力。口径9米或者15米的巨无霸LUVOIR望远镜和口径9米的中远红外望远镜OST毫无疑问非常强大,但其预算也很吓人(30-50亿美元!)。

  是不是挺让人纠结的?掷硬币只需要一个硬币,做研究需要无数个硬币。

  事实上,据路边社消息,HabEx,LUVOIR和OST被NASA选中的可能性不大,性价比不高或者风险太大,而同期提出的X射线空间天文台项目Lynx的呼声更高。对于系外行星研究领域,这是个巨大遗憾,然而,对中国天文学家来说,这是一个机遇,一个抓住前沿方向、追赶欧美的机会。

  系外行星领域,包括系外行星的探测和刻画,在中国方兴未艾,主要原因是缺乏必要的观测设备。“工欲善其事,必先利其器”。我国行星领域的专家早已深刻认识到这个差距,并提出了几个行星探测空间项目建议,主要目标是太阳系领域的宜居带类地行星。这些项目独辟蹊径,敢于创新,如成功,对中国和世界系外行星领域都将有巨大贡献。

  与此同时,国家天文台联合长春光学精密机械与物理研究所、紫金山天文台、北京大学等单位,德国马普地外所、马普天文所、剑桥大学等单位,计划推出一个以我为主、多国合作的系外行星大气探测专用4米级空间望远镜,配备紫外-光学-红外低分辨率光谱仪和光学高分辨率光谱仪,集中研究GK型主序恒星附近宜居带岩石行星和类地行星的大气,探索可能存在的生命表征信号,比如臭氧、氧气(图3),比如叶绿素和嗜盐菌(图4)。

地外生命:风景这边独好?天涯何处无芳草

图3.太古代、元古宙和现代地球的反射光谱,可见紫外的臭氧分子吸收,光学波段的氧分子、水和甲烷的吸收。图来自于G. Arney (美国航空航天局戈达德太空飞行中心)

  地外生命:风景这边独好?天涯何处无芳草

图4.行星表面海洋(蓝色)、针叶林(绿色)、嗜盐菌(红色)的反射率。图来自Schwieterman (2018, Handbook of Exoplanets)

  这是个重要的任务。我们希望通过科学的方法,again,砸人砸钱砸技术,试图回答我们一直好奇的那个问题,到底是地球这边“风景独好”,还是“天涯何处无芳草”?

  这也是个艰巨而持久的任务。人类探索外太空的步伐还未真正开始,更有未知的困难藏在迷雾之中,需要不止一代中外天文学家和技术专家不懈的拼搏和努力。

  不忘初心,砥砺前行!

  作者:王炜,系国家天文台研究员,现任中科院南美天文中心副主任,主要研究太阳系外行星。参与撰写天文专业书籍《现代天体物理》和天文科普书籍《观天者说》。

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