2018-07-24 14:41

地球只是驿站,人类的下一个落脚点在哪里?

虎嗅注:今年4月16日,NASA发射了一颗巡天卫星,名为TESS(凌日系外行星巡天卫星),它的主要目标是寻找更多的系外行星。为什么要去寻找太阳系以外的行星?究其原因,还是回到那个至今仍未解开的疑问:人类从哪里来?又将要到哪里去?今天这则视频中的演讲者是南京大学天文与空间科学学院院长周济林,来看看他是如何解答这两个问题的。


01 类地行星离“宜居”二字还差得很远


为什么我们已经生活在地球这个安定的星球上,却仍然要去寻找适合人类居住的行星?


因为人类不可能永远生活在这个摇篮中,我们这是在为未来做打算。


那么,什么样的行星是宜居的?


第一,类地行星,拥有固体表面。迄今为止我们所发现的行星,归纳起来可分为两类:类木行星和类地行星。如果行星的质量大于10个地球质量,那么它就可以显著地吸收气体,形成类木行星;反之,小于10个地球质量则多半是类地行星,因为它没有机会得到更多的气体。



第二,存在液态水,且位于宜居带上。行星的宜居带必须与主星之间有一个合适的距离,而这个距离的远近取决于主星的大小。主星越小,与宜居带之间的距离就越近,辐射也就越强,人类在这样的星球上是没办法生存的。


我们希望找到一个像太阳这样的恒星,那么位于其宜居带的类地行星就是“下一个地球”。



第三,主星辐射不能太强。地球之所以适合人类生存,是因为它远离太阳,且星球内部有液态核,形成一个磁场,从而保护了我们的生命。这也是人类的幸运之处。



02 改造火星只需一个阳光棚


相比之下,我们的邻居火星就不是那么幸运了,它虽然也处于太阳的宜居带,但是现在却没有生命。


研究表明,火星以前可能是有生命的,后来由于某种原因,比如受到小行星的碰撞,把它的液态核撞没了。要知道,液核很多是带电的离子,流动起来会产生磁场,没了它,保护大气的磁场也就消失了。所以,火星现在几乎没有大气,也就不适合人类居住了。


有人提出,我们能不能改造火星,使得它适合人类居住?这当然是可以的,但所需要的成本非常大。关于改造的方法,我想最多有两种:


小改造:搞个阳光棚,里面种点花花草草,这样人在那里至少可以生存了。


大改造:搞个液态核,让它有磁场保护,这个难度就太大了。



当然,仍然有人会去尝试,比如马斯克的“火星移民计划”。我们不清楚这个计划要付出多少代价,但至少他已经算出了每个人去火星的成本,甚至连单程票价都出来了。如果真的可以实现,我们将来最好是买往返票,这趟旅程也许会很寂寞。


03 系外行星是怎样被发现的?


经过人类的不懈努力,终于在1995年发现了第一颗太阳系以外的行星,这归功于瑞士的两位科学家。那么如何探测行星呢?


视向速度法


大家都知道行星是很暗的,根本看不见,怎么办呢?我们可以去看恒星。因为行星跟恒星绕着公共质心在转,所以我们观测的那个恒星,它其实有个像身份证一样的东西——光谱。光谱有很多谱线,如果这个恒星不动,谱线是固定在某个地方的;一旦恒星开始运动,那这个谱线也会移动。



就像高铁,它离开我们时声音会变缓,而向我们运动过来的时候,声音就比较尖锐,这就是多普勒效应。利用这个原理,我们就可以反推出恒星运动的原因,是不是因为它受某颗行星的影响。于是,第一个太阳系外行星就是这样被探测出来的,下面这张就是它的轨道周期示意图。



凌星法(transit)


凌星法是目前被广泛应用的系外行星观测方法。它的原理很简单,当行星正好从你的视线与恒星之间经过时,你认真观察恒星,就会发现它的光度发生变化,而且这个变化是周期性的。当然,这个变化的大小取决于行星的大小。例如,木星的大小是太阳的十分之一,所以它这个光度的变化就是百分之一。



小朋友们听到这个,可能会想:今天晚上我去看星星,盯着看它能不能掉下来,如果掉下来就发现了一个行星。要知道,这个通常肉眼是分辨不出来的,要通过卫星去探测。


04 发现地球的“表哥”有什么意义?


TESS、James Webb、开普勒等,科学界发射的望远镜几乎有一半都在寻找系外行星。在这里,要重点说下开普勒太空望远镜,在它短暂的“寿命”中,发现了超过三千个系外行星,这是人类文明一个重大的进步。



开普勒发现的行星中,有一个跟地球非常相近,可以说是地球的“表哥”,被命名为开普勒452B。它的主星也很像太阳,但是遗憾的是它离我们太远了——1400光年。“移民”到这个星球的旅程很可能是单程的,非常危险。但无论如何,我们至少看到了希望,远的已经找到了,近的还会远吗?



那么,迄今为止,人类找到了多少个类地行星?


如果以半径或者质量这个标准来看,大概有700颗到800颗。但如果我们除去远距离的那些,只统计一百个秒差距,也就是300光年以内的类地行星,就只有30颗。把距离再放近一点,60光年以内,这在天文上已经很近了,这样就只剩下10颗。



这10颗行星大部分都来自于一个叫trappist-1的系统,我们中国称之为葫芦娃系统。它的主星是一颗矮星,比太阳小多了,但是它带领着一串类地行星。遗憾的是,它们离我们依然很远。真正离我们近的,在10个秒差距(约30光年)以内类似太阳这样的恒星系,还没有找到宜居带行星。当然,我们有义务继续寻找。


05 中国的巡天之路


前面提到了很多国外的空间项目,那么我们中国有没有自己的巡天卫星呢?


我和同事们也都提出了一些项目,比如为宜居的类地行星“拍照”,我在前面介绍过的类地行星都是没有成像的,我们希望通过光干涉将行星和恒星分开来再去成像,先把它的图片拍出来。


但是大家也知道,空间项目的周期很长,可能从你提出计划到卫星上天,花上十年的时间已经很幸运了。那么,在此之前我们总要做些事情。


我们课题组参与了南极的一个巡天项目。那里冰天雪地,气候寒冷干燥,条件非常艰苦,但这片大陆也拥有天文学家最喜欢的连续42天的极夜。


由于冬季气温很低,最低可达到零下83摄氏度,人在那里是没办法过冬的。所以,我们会先在头一年的夏天派科考队过去,把望远镜放置并调试好后离开,让它工作一年,第二年夏天再去把数据「扛」回来,或者通过卫星来传输。



通过这样的观测模式,我们这个课题组利用图中这几个望远镜,在2014年发现了200余颗高置信度的系外行星候选体,成为世界上第一个在南极天区发现系外行星的科考团队。2017年,我们又在南极发现了最大批量的系外行星。


除此之外,我们也在号称“世界第三极”的西藏也设立了天文台。位于海拔5100米的西藏阿里天文台已经建成了一半,其中有一个平台,我们称之为平行顶。在这里将放置五个小望远镜,进行系外行星的搜寻,期待能收获好的结果。




最后,回到一开始提到的问题:人类为什么要探索宇宙?


这个问题答案很多,科研方向不同,回答自然也不同。从我的角度看,我们探索宇宙的目标,是寻找另外一个宜居的类地行星,寻找我们另外的家园。当然,这件事不是一蹴而就的,可能需要几代人的努力。

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