中国天文学家讲述人类的寻梦之旅

上海科技报:到茫茫宇宙中去寻找“第二个地球”

时间:2022-04-09浏览:10编辑:董真摄影:    通讯员:设置


 


人类自古就一直好奇:我们是否是宇宙中的唯一生命?同时也希望有朝一日能找到来自其他星球的生命。多年来,科学家们一直没有放弃这样的努力。足不出“沪”能“漫步宇宙”,在宿舍中即可享受“星空浪漫”,抗疫期间,世界杯足球购买app_首页的“让科研春风吹进复兴园”系列讲座请来了中国科学院上海天文台葛健研究员,他在“空中”为学子们带来了题为“寻找第二个地球和生命”的讲座。

  葛健是中国科学院空间先导地球2.0科学卫星背景型号研究的创始人和首席科学家、达摩近邻宜居行星巡天的创始人和首席科学家、科幻片《星际迷航》中的瓦肯星系外行星的发现者、全球首位找到系外行星的华裔科学家。

  在讲座中,葛健介绍了人类搜寻系外世界、寻找第二个地球的历史和未来展望。大量前沿的天文科技成果在此次讲座中被披露,也让我们看到了天文学家们多年来孜孜不倦的探索和努力。


中国上古的传说有一定科学依据

  中国有很多关于上古的传说,比如帝尧时代的后羿射日、夸父追日、牛郎织女的银河相会等。过去很多人会将其联想到文化层面,但葛健认为,其背后有大量的科学现象和依据,它们都涉及到人类永恒的三大话题:日月星辰、宇宙和生命。

  “在后羿射日、夸父追日等传说中,我们可以感受到,在上古时代,也就是大约4000—5000年前的全新世时期,华夏大地上是非常炎热的。从目前科学研究看,1万年前地球处于冰川期,而5000年前的地球温度比今天的平均温度高出2-3度,所以人们才会想到要赶走“多余”的太阳。河南简称“豫”,古代河南所在的豫州是中国九大州之一。豫是个象形字,原先由象形文字象和邑组成,即有象的城邦的意思,也就是说在甲骨文诞生的5000年前,大象就出没于河南一带,河南也因此得名“豫”。即使在战国时期,楚国,即今日湖南和湖北等地还有犀牛的存在,爱国主义诗人屈原在《国殇》写到的“操吴戈兮被犀甲”,就反映了这一现象。而我们都知道大象和犀牛喜欢在温暖的环境中活动,因此可以从这些历史记载中看出当年华夏大地的气候更温暖,和科学研究发现在全新世时全球变暖相一致。”葛健说,近些年地球也在走向变暖,去年发生了云南野象北迁的现象,位于北方的山西还发了大洪水,我们可以想象出5000年前的华夏大地可能和现在情况完全不一样,当时的黄土高原很可能温暖湿润,非常适合生存,由此可以推测,中国古文明起源于黄河流域可能与全新世变暖有密切关系。

  古人对于星辰也有浓厚的兴趣,很多想象和传说也有天文学依据。葛健说,比如中国人特别喜欢的牛郎星和织女星,我们发现织女星座看起来很像一把梭子,牛郎星旁边有两颗小星星,很容易联想到这是他们的孩子。还有中国古代有七仙女下凡的传说,事实上,织女星座中第二亮的星是一颗掩食变星,周期性地主星和次星相互遮掩,导致有时候看得见,有时候看不见。可以想象古人夏夜乘凉,看着星空发现这个星变暗看不见了,于是就很自然地会编出美妙的七仙女下凡的故事流传至今。

  盘古开天地和女娲造人的传说也是源远流长。在葛健看来,盘古开天地很类似宇宙大爆炸的起源,天地原来是混沌一片,劈开后创造了透明的天和浑浊的地。这种想象很类似当代最流行的大爆炸的宇宙起源说,宇宙大爆炸后不久,宇宙中充满自由运动的质子和电子,宇宙一片浑浊,直到宇宙冷却后,质子和电子的结合产生氢原子,宇宙变得透明,慢慢地氢气云塌缩形成恒星、行星和星系,于是就有了“地”了。然后产生了各种元素,变成了今天宇宙的样子。传说中女娲捏土造人听起来有些荒诞不经,今天我们也可以理解,因为人类身上所有的物质,其中所有的元素其实都来自宇宙尘埃。由此看来,古人借助自己想象和观测产生一个个流传至今的传说背后,有源自生活的科学道理。这和现代科学研究探索万物发生背后的机制确有点殊途同归。


人类从来没有停止对地外文明的想象

  到了近代,人类开始拥有先进的观测技术,他们把视野对准外太空,想象着地外生命的样子。

  帕西瓦尔·罗伦斯·罗威尔是一位美国天文学家、商人、作家与数学家。他还曾经写过一本讲述东方文明和文化的书。在他40岁的时候,偶然听说意大利科学家发现火星上有人造水渠,他就自掏腰包,用了15年时间在美国亚利桑那州的弗拉格斯塔夫建立了罗威尔天文台,在每个季节观测火星上的各种详情并记录下来。葛健介绍说,罗威尔当时认为火星的两极是冰盖,火星上比较干燥,夏季冰盖消融,大量的水通过人造水渠把两极的水引入到火星的赤道上灌溉庄稼。非常惋惜的是,后来科学家利用更精密的望远镜观测发现,这些沟槽只是自然结构,并非人工所建,没过多久,遭受打击的罗威尔就去世了。

  “但是很多人过了很多年还是不相信火星上没有高等生命,1938年10月30日,美国出现了火星人入侵的假新闻,结果引发了新泽西州很多人的恐慌。之后很多人认为虽然火星上没有高等智慧生命,但是可能存在低等生命。1975年,美国实施了探测火星的海盗计划,向火星发射了两个探测器,分别前往火星的南北半球,两个探测器将岩石和沙土放到特殊瓶子中检测,一开始科学家很兴奋,因为放入特别配比的‘鸡汤’后,产生了氧气和二氧化碳等气体。但是之后他们用色谱仪去检查其中的化学成分,结果发现其中没有任何有机分子,说明火星上没有低等生命。”葛健介绍说,这次发现让科学家们十分失望,但是人类还是不甘心,业余天文爱好者从火星轨道器拍的数以万计的火星表面图中,竟然找到了一个猴头图案,他们就猜测就算现在火星上没有生命,不代表火星上不存在古代文明。后来美国国家航空航天局发射的火星探测卫星——火星全球探勘者号沿着火星上的河床到干枯的湖泊去寻找生命痕迹,但是依然一无所获。同时,它拍摄的更高分辨率的火星表面照片核实“猴头图”是地质现象所致。

  这个时期也是科幻事业发展的高峰阶段。20世纪60年代出现了科幻电视系列《星际迷航》,它描述了一个乐观的未来世界,人类同众多外星种族一道战胜疾病、种族差异、贫穷、偏执与战争,建立起一个星际联邦。随后一代又一代的舰长们又把目光投向更遥远的宇宙,探索银河系,寻找新的世界,发现新的文明,勇敢地涉足前人未至之地。阿西莫夫的科幻小说《银河帝国》给了很多电影人灵感,之后的《星球大战》系列科幻电影,描述了几千个星球决定脱离银河共和国独立的故事,一批人逃离到一个双星系统周围的塔图因(Tatooine)沙漠星球上。葛健说,今天我们已经发现了银河系中20多个类似的双星系统。我们也可以猜测,中国上古时期提到的10个太阳,很可能也是一种天文现象。值得一提的是,近年来登陆火星的探测器拍摄的火星日落图和《星球大战》电影中塔图因日落图很相似。这说明人类的想象和宇宙中存在的现象有很强的关联。

  20世纪80年代,美国出品了《外星人》科幻电影,该片讲述小男孩艾里奥特与外星人建立纯真友谊的故事。前些年中国科幻小说《三体》问世,其中最精彩的无疑是阐述了宇宙生存法则——黑暗森林法则。

  葛健说,去年是火星探测的丰收年,登陆探索火星的就有美国的毅力号火星车和机智号火星直升机,以及中国的祝融号火星车。令人高兴的是,中国天问一号实现了“绕”“落”“巡”一次完成,一次就实现了美国持续了30年完成的工作。


成为蓝色地球有多难?

  人类在探测生命火星的同时,也把目光投向了离太阳更近的金星,想了解更多金星的秘密。金星是太阳系中环境最为恶劣的行星之一,金星地表高达460多度,基本是我们家用烤箱的日常温度。金星的大气压是地球大气压的90倍,相当于海平面下大约900米深处的压强,大气层内还有很强的气流,金星也被喻为“地狱星球”。1970年,苏联发射了金星7号,可以承受180个大气压和540度的高温,但是仅仅工作了23分钟就与地球失去了联系。

  为什么距离太阳的远近与地球差不多的金星和火星都不适合人类居住?唯有我们蓝色的地球如此的美妙和动人呢?葛健在此次空中讲座中给出了科学的答案。

  葛健介绍说,在刚诞生的时候,金星和地球的状况差不多,但是金星距离太阳的距离是地球距离太阳距离的 70%左右,其每平方米上获得的太阳能量是地球上同等面积的2倍。于是金星上大量的水变成了水蒸气,这些水蒸气弥散在金星的大气中,不断地吸收来自太阳的热辐射,并进一步加热地表和大气,地面上更多的水变成了水蒸气,而水蒸气再也无法变成液态水。在太阳的紫外线的照射下,气态水分子渐渐分解为氧气和氢气,质量较少的氢气就慢慢逃逸出了金星大气层,此后氧原子和碳原子慢慢结合,逐渐变成了二氧化碳,这被称为是“失控的温室效应”。假如把地球放到金星所在的位置,也会出现金星这样的情况,所以我们要保护环境,控制二氧化碳排放,预防“失控的温室效应”的出现。而火星的情况是距离太阳太远,得不到足够能量,连二氧化碳都被冻成了干冰,而且因为引力不足,无法固定住足够多的大气。

  “地球是一个特殊的存在,它正好处于距离太阳不近不远位置,公转周期恰好是一年,这里水以液体存在,这个轨道带就是今天我们所说的宜居带。当然,不同质量的恒星周围的宜居带不一样,质量越大的恒星宜居带离恒星越远。”葛健说,天文学家之前认为处于类太阳恒星中宜居带的类地行星(即第二个地球)在银河系中数量不少,它们上面很可能存在生命。但没有想到的是,要找到“第二个地球”难度并不小。


开普勒计划的“失败”

  人类对于太阳系外行星的高度关注源自1995年,那年的10月,两位瑞士天文学家利用法国境内的Haute-Provence 天文台的1.93米望远镜发现了首颗系外行星“飞马座51b”。在离飞马座51恒星800万公里的地方,有一个和木星差不多大小、公转周期为4.2天的行星。这一发现成为人类历史上最重要的事件之一,该发现证明了太阳系并不孤单,也激起了人类对系外生命的思考,以及对人类在宇宙中的地位有了重新认识。两位天文学家也因此获得了2019年诺贝尔物理学奖。

  为了更好认识系外行星世界,美国从2001年开始酝酿开普勒计划,该计划的太空运行时间从 2009年开始到 2018年结束,主要科学目标是发现类太阳恒星在宜居带内的类地行星(即第二个地球,或地球2.0),进而测量地球在宇宙中的发生率。多普勒计划利用 0.95 米的广 角望远镜对105平方度视场的类太阳矮星观测了整整4年,这片天区的附近天区包括我们很熟悉的天鹅座、牛郎星座和织女星座。

  葛健介绍说,天文学家寻找行星有两种主要的办法,一种是多普勒视向速度技术法,另一种是凌星法。视向速度法就是测量观测目标的光谱线的多普勒效应。假如我们站在高铁站的站台上,火车进站的时候,会发现声音频率变得越来越高,但是离开的时候,声音会变得越来越低沉。这就是多普勒效应。当一个星系远离我们所在的银河系时,这个星系的光谱线就会向波长更长、频率更低的红色方向部分移动,我们将这种现象称之为“红移”。当这个星系移向我们所在的银河系时,星系的光谱就会向波长更短、频率更高的蓝色一方移动,这叫做“蓝移”。科学家利用“红移”和“蓝移”特性可以测出恒星周围行星的质量和公转周期。所谓凌星法,很像我们平时观察到的日食现象,当月球进入地球和太阳之间的直线视线中,从地球上观测太阳,就会发现月球挡住了太阳光,地面会变暗。推广到天文观测中,科学家们认为,只要行星经过恒星前面,就会挡住恒星的部分光亮,行星面积越少遮挡恒星的部分就会越小,面积越大遮住的部分会越大。所以只要能计算遮挡面积和恒星面积的比和恒星的大小、以及遮挡的周期时间,就可以计算出行星大小和轨道周期。

  令人遗憾的是,雄心勃勃的开普勒计划发现了4000多颗行星和候选者,包括几个可能绕着小质量恒星的宜居带行星,但是始终没有找到“第二个地球”。而且开普勒计划发现银河系大约90%的行星都分布在比太阳系的水星轨道更近距离的轨道上,这与之前的设想有很大差别。

  葛健介绍了开普勒计划发现的类太阳周围的宜居行星候选者的情况。其中,开普勒—22B行星的主恒星质量是太阳的 0.97倍,距离太阳系大约600光年,开普勒—22b行星的公转周期是289.9天,但其半径是地球的2.4倍,科学家猜测这个行星质量大概是地球的10倍,并可能有很厚的大气层,行星表面环境可能与金星相似,不适合生命生存。还有两颗类似的行星,其中一颗质量是地球的2倍多,另一颗是地球质量的 5 倍左右,科学家们猜测其引力过大,导致地下岩浆到处喷发,行星表面充满了火山岩,与科幻电影《星球大战》最后决战时所在的穆斯塔法星球的模样十分类似,也多半不适合生存。

  半人马座是距离地球最近的恒星系统,包括 3 颗恒星,其中明亮的两颗恒星是半人马座α星和半人马座β星。2016年,西班牙科学家发现其中很暗的红矮星——比邻星(0.12 个太阳质量)附近有一颗公转周期仅为 11.2 天,质量为地球的 1.3 倍的宜居的行星。可以设想在红矮星照耀下的行星与地球上的白天景色很不相同, 天空总是呈现出红色,类似于地球上的夕阳场景。

  2017年,又有比利时科学家在距离地球 约40 光年的一颗叫Trappist-1的红矮星 (0.08太阳质量)附近发现了7颗类地行星,其中包括3颗宜居行星, 比较有意义是这7颗星离母星的距离,比地球与月球的距离都小。葛健说,站在这个宜居带中的行星上会发现很奇幻的景色,天上始终会有6个在不同位置的玫瑰色的月亮,有的是圆月,有的是弦月,有的是半月,感觉这里是情侣在情人节时度假的好地方。

  但是科学家并不认为这些小行星上会有生命。葛健介绍说,小质量红矮星周围的宜居行星面临的挑战之一是存在潮汐锁定现象,也就是行星的一个半球始终对着恒星,异常炎热,另一个半球则异常寒冷,被冰层覆盖,不利于生命的形成和演化。而且红矮星表面的耀发火焰要比处于中青年时代的太阳的耀发火焰强烈100—1000倍,灼热的火焰会无数次地掠过这些小行星,就算有生命也多半被毁灭在萌芽中。


“第二个地球”的搜寻计划

  经过多年探索,科学家们对“第二个地球”达成了以下共识:行星的半径上限不能超过1.25个地球半径,下限是不能小于0.8个地球半径。

  葛健团队开始寻找系外宜居行星始于 2010年,当时一位佛罗里达大学的校友主动捐赠了一笔科研经费,资助团队研制下一代具有超高视向速度测量精度的高色散光学光谱仪,用以寻找太阳系附近的类太阳恒星周围的“第二个地球”。一开始葛健团队使用田纳西州立大学的直径2米的自动化望远镜来搜寻系外行星,但是使用这台望远镜不仅观测时间没法保证,而且望远镜的透光率也很低,影响测量精度。葛健团队希望有专用的望远镜来做系外行星搜寻,这位校友得知情况后又一次慷慨捐赠,支持葛健团队建设全自动达摩巡天望远镜。

  达摩巡天望远镜位于美国亚利桑那州的棱蒙山上,2015 年9月开始动工建设,于2016年10月10日投入科学观测。葛健说,经过一年多的搜寻后,葛健团队于 2017年发现波江座 40A 周围有一颗行星。这颗系外行星距地球约16光年,母星是一颗同太阳相似的恒星,被编号为 HD 26965。这个行星的质量是地球的8.5倍,轨道周期只有42天。葛健介绍说,根据各种观测数据,我们判定它上面可能到处是火山,南北极可能有磁场和极光。

  波江座 40A 在《星际迷航》电视剧中被想象为外星男主人公斯波克的故乡“瓦肯星”的母星,电视剧本中提到“瓦肯星” 离母星很近且质量大。因为炎热和多火山,瓦肯人都住在山洞中等等。没有想到的是,葛健团队发现的行星和剧本中描述的 “瓦肯星”如此相似。这就意味着葛健团队在无意中竟然找到了现实中的“瓦肯星”。这再一次意味着人类科幻电影中的星球想象可能会在现实中出现。

  2018 年,葛健受邀来中国科学院上海天文台开展“未来天文技术发展战略”的调研和探讨。他很快发现上海在空间科学卫星领域方面有很好的技术基础,于是在2019年依托上海天文台,联合上海科学院微小卫星创新院、技术物理研究所等国内外大学和研究所的几十位科研人员一起提出了以“空间凌星技术”为探测手段的“地球 2.0”即 ET 的科学卫星研究计划,并于2020 年6月获得科学院空间先导项目的支持。根据计划,科学家们将在卫星上安装6台凌星望远镜和一台微引力透镜望远镜,并将500平方度的宽视场凌星望远镜对准开普勒计划观测过的天区,以及它的附近天区,连续观测4年,开展第二个地球的搜寻,同时将会把微引力透镜望远镜对准银河系中心区域,去搜寻冷地球和流浪地球。

  根据ET 的科学卫星研究计划,团队开展了系外行星搜寻的模拟仿真。结果表明,在计划执行的前四年,团队有望发现10多个和地球相似的行星候选者。葛健告诉在线的师生们,如果计划能执行八年时间,将有望找到40多个和地球类似的行星,“我们也期待在织女星座中的类太阳恒星周围发现适合牛郎织女后代居住的类地行星。”


梦想还在延续

  目前,美国计划研制探测系外行星的新时代望远镜,其中一种卫星探测器的机械部分上天打开后就会变成花瓣形状,可以挡住远处的恒星的光,从而可以更清楚地直接看到恒星周围的行星,科学家能直接获得它们的光谱,测量行星大气和表面的组成。中国的空间站上也将建设直径为2米的望远镜系统,也可开展巨行星的直接成像观测。葛健说,未来我们将会把行星“看”得更加清楚。

  葛健向师生们展示了一张地球的朦胧图,那是未来希望在30光年之外看到的地球模样,虽然模糊,但是可以看到上面的蓝色海洋和绿色植被。“我们希望未来能够如此清晰地看清楚遥远的‘第二个地球’。这是人类的梦想!也许未来我们真的能够找到地外生命,找到地外文明,能够与其沟通和交流。同时我们也希望利用中国人的智慧、技术和思想,去引领未来中国的科学强国梦!”

  最后,葛健寄语世界杯足球购买app_首页的学子们:中国现在处于高速发展的创新时代,要敢于放飞自己的好奇心和想象力,点亮思想的火花,大胆想象和冒险,努力探索和核实,百折不挠地去实现自己的梦想,成为中国的“马斯克”和“爱因斯坦”。美丽的星空等待中国人的探索和发现。




来源:上海科技报 记者:吴苡婷

原文链接:https://www.shkjb.com/content.html?id=221189

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