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搜寻系外生命信号的天邻计划系列(II)

来源:光明网2021-03-19 17:31

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《天邻》

王炜

茫茫宇宙,横跨几陔里,混沌百亿龄。

灿灿星空,恒星兆亿颗,行星几如影。

小小地球,生灵浩如烟,文明璨似锦。

唯一否?有邻否?留待我辈来巡。

  注1:《孙子算经·卷上3》凡大数之法,万万曰亿,万亿曰兆,万兆曰京,万京曰陔。据此,陔为1024。已知目前宇宙直径为8.8X1023公里,合1.76陔里。

  面对浩瀚宇宙,璀璨星空,人们总是好奇,生命是如何起源的?宇宙中是否存在“外星人”或者其他种类的生命?对这些问题的好奇,促使着我们在人类深空探测器或者望远镜所能及的范围内寻找任何可疑的 “生命信号”,任何发现都能牵动科学家和公众的关注和好奇,包括去年吵得热闹非凡的金星大气中的疑似磷化氢信号,更别说相继奔赴火星的阿、美、中三国的探测器,希望号、毅力号和天问一号,前两个已先后顺利着陆,而天问一号不紧不慢,按部就班,不争一时之早晚,一边环绕一边拍全景照片,彰显我大国风范及科研人员之战略眼光。

搜寻系外生命信号的天邻计划系列(II)

图1. 天问一号团队(图源:中国航天科技集团)

  根据一篇发表在《天体生物学》杂志的综述文章,生命信号被定义为“提供生命存在证据的任何现象,物质或一组物质”。按照我们所熟知的生命形式,它可以是大气中的气体,包括但不限于氧气(O2),臭氧(O3),水(H2O),甲烷(CH4),磷化氢(PH3,一氧化二氮(N2O)和氯甲烷(CH3Cl),也可以是行星表面上的物质或现象,如植被、嗜盐菌或地外文明发射的电磁波、探测器乃至设想中的可以捕获大部分母星能量的戴森球等。

搜寻系外生命信号的天邻计划系列(II)

图2. 科学家弗里曼·戴森提出奇思妙想,将太阳做成一块电池,便可以源源不断接收其大量的能量,并且这个任务有一个响当当的代号,叫做宇宙戴森球计划。(图源:网络)

  关于后者,不得不提一颗奇特的恒星KIC 8462852,昵称为WTF(where is the flux)天体,因其匪夷所思的亮度变化(图3),曾有猜测光变可能由戴森球引起。

搜寻系外生命信号的天邻计划系列(II)

图3. Kepler卫星早期获得的KIC 8462852的光变曲线,酷似恒星连续谱加吸收线(图源:Boyajian et al. 2016)

  尽管火星、木星的几个卫星比如欧罗巴等太阳系天体或曾经或可能孕育生命,但到目前为止,地球是太阳系内唯一已知存在生命的星球。于是,天文学家将目光投向了太阳系之外,试图在更广袤的宇宙中寻找生命存在的证据。

  从1995年发现的第一颗围绕类太阳恒星的系外行星至今,人类发展了许多寻找太阳系外行星的巡天项目,业已发现了4000多颗系外行星,其中不乏一些与地球类似的行星,处于宜居带的类地行星。所谓宜居带,指的是行星系(类似于太阳系)中适宜生命存在的区域,天文学上的判据是位于此区域中的行星温度适宜、能允许液态水的大量存在。这些宜居带类地行星就像是宇宙中的“新大陆”,是人类探索生命信号的主要目标。

搜寻系外生命信号的天邻计划系列(II)

图4. 著名的“葫芦娃”行星系统的艺术想象图。主星是红矮星TRAPPIST-1,距离地球41光年。它有7颗行星,其中3颗位于宜居带之中。(图源:ESO/M. Kornmesser.)

  可惜的是,目前发现的60颗宜居带类地行星,它们的“太阳”大部分是红矮星(M型矮星),这些恒星质量小,温度低,恒星很活跃,留给行星发展和维持生命的时间一般不会长久,因此不是我们的首要探索目标。只有5颗行星,依附于与太阳较为类似的GK型矮星,或许可以支撑生命乃至文明的发展。遗憾的是,它们距离地球900光年以上,遥不可及,把39米的ELT搬到天上也难以捕获其大气分子信号,而在可以预见的50年内,几乎不可能建造这么大的空间望远镜。

  “距离产生美”这句话,在观测天文学上是绝对不成立的,在与信噪比的斗争中,距离只会给我们带来麻烦和绝望。

  幸运的是,经过对巡天数据的统计分析,有两个重要结论使得我们不是那么绝望。其一,大部分行星都身材娇小,预计大部分都是岩石类行星;其二,平均来说,每颗GK型主序恒星(温度3900-6300K左右)周围有0.6颗类地行星,其中一半位于宜居带。据此估计,最近的GK恒星宜居带类地行星应该据地球不到20光年,32光年以内应该有大约4颗宜居带类地行星。也就是说,在太阳系邻域,还是有一些探索空间的。

搜寻系外生命信号的天邻计划系列(II)

图5. 宜居带类地行星开普勒452b假想图与地球比较示意图(图源:NASA/Ames/JPL-Caltech)

  目前,对行星大气的观测主要依赖于大口径的地面望远镜和空间望远镜,而地面望远镜不可避免地会受到地球大气的影响,且有天气变化和昼夜更替,难以对凌星时间长于8小时的宜居带类地行星实现极高精度(优于10-6)的观测。因此,美国和欧洲先后计划了一系列空间望远镜项目,如CHEOPS,JWST,WFIRST,ARIEL,HabEx,LUIVIOR等。对这些项目的介绍,可参见笔者发表于《中国国家天文》2020年第6期的拙作《系外行星研究空间项目》。

搜寻系外生命信号的天邻计划系列(II)

图6. JWST和哈勃望远镜的大小对比(图源:Space·E.com)

  在这种情况下,我们提出了雄心勃勃的天邻计划(HABITATS,HABItable Terrestrial planetary ATmospheric Surveyor),一个专用于研究系外行星大气的空间望远镜项目。它将站在前人巡天成果的肩上,通过光谱观测获取大量信息,提高人类对于行星性质的了解,探索宜居带超级地球和类地行星的性质,搜寻可能的生命信号,开启人类研究行星、认识宇宙的新篇章。

  计划中的天邻将是口径大于4米的轻量型空间望远镜,服役于150万公里以外的日地L2轨道。L2轨道可以提供极佳的动力学稳定性和热环境稳定性,以及对单颗星长时间连续观测的能力。天邻将采用单镜面离轴三镜系统,计划包括高稳定度指向成像传感器、高对比度星冕仪、紫外到光学波段的高分辨率光谱仪和近红外波段的低分辨率光谱仪等4个主要天文设备。计划应用简单成熟的光学系统,设计时将尽量减少可移动部件,从而大幅降低本项目的风险,提高设计运行寿命。同时这样稳定的系统将拥有非常高的稳定度和精度,使得观测类似太阳-地球这样的宜居带行星系统成为可能,而通用大型空间望远镜包括JWST难以做到。

搜寻系外生命信号的天邻计划系列(II)

图7. 天邻计划概念图(图源:作者)

  天邻将专注于观测太阳系附近的G型星或K型星系统。它将对行星系统进行长达几十到几百小时的长时间、多波段(包括紫外、可见光和近红外波段)观测,利用凌星光谱法、次食光谱法或直接光谱法获得各类行星尤其是岩石类行星大气的光谱,研究行星大气的温度、结构和组成,分析行星大气或表面上可能存在的生命信号。在5年的服役寿命期间,预计可获得10个以上宜居带类地行星的光谱,并通过这些光谱来判断行星中是否有生命信号。

  什么信号可反映或暗示生命的存在呢?一般认为,水和氧气是非常重要的生命信号,一般认为有大量液态水的环境下才会诞生生命,氧气是厌氧生物的产物,是嗜氧生物的赖以生存的基础。但是,二者的存在并不意味着一定有生命存在,非生物的机制也可大量产生水和氧气。如果想要比较肯定地确定生命特征的存在,综合考虑一些副产物分子是十分必要的,比如臭氧和甲烷。因此,天邻主要探测的目标分子信号有水、氧气、臭氧和甲烷。

  除此之外,行星表面的一些其他信号或许能更直接的表征生命的存在,例如植被和细菌产生的依赖于波长的强反射信号。如果行星的表面被这些“生物颜料”所覆盖,行星反射光将会随着波长而改变,因此可以通过观测行星反射光来判断星球表面是否覆盖了大量的植被或者细菌。显而易见,观测星球表面的生命信号有个前提,需要系外行星的天气够好,没有厚厚的云层或雾霾。

  众所周知,类似天邻这样的大型项目,有许多前期调研和预先研究工作要开展。感谢中科院空间科学先导专项和空间科学研究员国家天文台培育项目,我们已开展了前期科学预研工作,结合行星大气理论光谱和观测噪声估计,通过建模,初步研究4米级望远镜搜寻系外生命信号的可行性。初步分析,4-6米级专用空间望远镜,如能满足我们提出的对仪器设备和探测器的要求,可以在项目服役期内成功探测到孪生地球(类太阳恒星附近的宜居带类地行星)大气中的水分子。

  到目前为止,天邻计划还只是初具雏形。在接下来的工作中,还需携手其他单位,分析其它空间项目的优缺点,取长补短,完善仪器设备的设计,形成成熟且稳定的设备方案,挑选完备且适合的观测样本,并开展相关论证和成果预测。

  天邻是一个雄心勃勃、力图赶超国际水平、挑战世界难题的项目。仅仅其4米以上的口径,服役的L2轨道,严格的姿态控制和温度控制等要求,也可以想象此计划的难度及可观的造价。特别是对于我国来说,缺乏足够的经验和相关技术,或许会让此项目步履阑珊。幸运的是,中国空间站2米巡天望远镜将为我们提供宝贵的经验,而且近年来我国大型运载火箭技术和空间技术等关键技术方面的稳步提高,各种新技术层出不穷,日新月异,攻克天邻计划的各项技术难题或将指日可待。

搜寻系外生命信号的天邻计划系列(II)

图8. 突破聆听项目总部位于加利福尼亚大学伯克利分校,主要从西弗吉尼亚的绿岸望远镜(右)和澳大利亚的帕克电波望远镜(左)处收集数据。(图源:网络)

  不得不提,除了利用光学红外波段空间望远镜探测行星中的光谱信号,还可以主动或者被动的方式,搜寻太阳系以外天体的异常射电信号,比如著名的搜寻地外文明计划(SETI,Search for Extra-Terrestrial Intelligence)计划和突破聆听计划(Breakthrough Initiatives),尽管到目前为止收效甚微。考虑到生命尤其是智慧生命的存在时间非常短暂,地球生命可以主动产生射电信号的历史不足百年,而没有智慧生命就很难有可探测的射电信号,因此需要更多的时间和耐心。我国天眼FAST望远镜也加入了这两个项目,并因其超高的灵敏度和大视场,成为主力军。

搜寻系外生命信号的天邻计划系列(II)

图9. 中国天眼FAST望远镜(图源:网络)

  寻找和研究宜居带类地行星,探索生命信号的直接或间接证据,是本世纪天文学极为重要的课题。天邻计划,是我国探索星辰大海极为重要的一步,作为深空巨眼,可与天眼携手,一天一地,一光一波,静静搜寻光年以外的生命信号。

  无论我们是否能找到系外生命的线索,这样的工作都具有重要而长远的意义。

  “海内存知己,天涯若比邻”。期待天邻计划能够寻访到人类在宇宙中的邻居,虽距离遥远但亲善如友邻,如知己。

  作者简介:

  王炜,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,负责推动天邻计划。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》。

  欧阳青林,国家天文台2020级在读博士生,研究方向为太阳系外行星,主要利用观测数据分析系外行星的大气成分和性质。

[ 责编:赵宇豪 ]
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