周济林 南京大学天文与空间科学学院 教授、院长

地球只是驿站,人类的下一个落脚点在哪里?

造就 TALK · 2018-08-08 · 10:14:52

造就第315位讲者 周济林

南京大学天文与空间科学学院院长


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?

著名科幻小说《三体》所描述的就是文明生存的竞争,也是居住地的竞争。书中「三体文明」处于半人马座α星,是距离太阳最近的恒星系统。但由于它是一个三星系统,即由三颗恒星组成,运动并不稳定。

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当三颗恒星引力相对于行星不平衡时,就出现了小说中描绘的「乱纪元」世界:要么三个太阳同时出现,要么一个太阳都没有,人们在煎熬中等待「恒纪元」出现,他们向往如地球一般安稳的宜居家园。

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。

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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」。

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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。

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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。

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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。

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。

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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。

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  • 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。

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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。

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。

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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?

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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。

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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。

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。

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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。

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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。

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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。


文字丨Liz

校对丨其奇

  • 天文
  • 系外行星
  • 三体
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