蔡如鵬
“開普勒”出發(fā)尋找另一顆地球,無論它發(fā)現(xiàn)了什么,都將會(huì)使太陽(yáng)系外行星探測(cè)進(jìn)入一個(gè)新紀(jì)元
400年前,開普勒因提出行星運(yùn)動(dòng)定律而開創(chuàng)天文學(xué)新局面。現(xiàn)在,一架以這位德國(guó)天文學(xué)家名字命名的太空望遠(yuǎn)鏡又被天文學(xué)家們寄予了新的希望。
3月6日夜,“開普勒”太空望遠(yuǎn)鏡在美國(guó)卡納維拉爾角空軍基地被送入太空,用以搜尋太陽(yáng)系外與地球相似的行星。
搜尋外星人的家
類地行星指的是大小與地球相接近的行星,被認(rèn)為是宇宙中最有可能存在生命的地方,因而在天文學(xué)研究中一直占有舉足輕重的位置。此前,通過地面望遠(yuǎn)鏡和其他太空探測(cè)器,天文學(xué)家已經(jīng)在太陽(yáng)系外發(fā)現(xiàn)了340多顆行星(包括幾顆類地行星),但它們表面的溫度都太高,并不適合生命生存。
“開普勒”的優(yōu)勢(shì)在于,它所攜帶的設(shè)備十分靈敏,能夠檢測(cè)到更小、更冷、更適宜生命生存的類地行星。
作為世界上第一個(gè)專門用來尋找類地行星的航天器,“開普勒”攜帶了一架直徑95厘米的望遠(yuǎn)鏡,其核心是一個(gè)9500萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)。在漆黑的太空中,它可以觀測(cè)到地球上一盞普通燈的熄滅。
適合生物生存的類地行星必須與恒星保持適當(dāng)?shù)木嚯x,不能太近,也不能太遠(yuǎn)。只有這樣溫度才不會(huì)太高而把水燒開,也不會(huì)因?yàn)闇囟忍投兂梢粋€(gè)冰封的世界。
“如果有許多類地行星存在,那么就可能會(huì)有許多生命。”這項(xiàng)研究的首席科學(xué)家、美國(guó)航天局艾姆斯研究中心的威廉?博勒茨基說,“我們不是找外星人,而是找外星人的家?!?/p>
這位天文學(xué)家同時(shí)強(qiáng)調(diào),“開普勒”的重點(diǎn)不在于找到任何特定行星,而是看看宇宙中類地行星到底有多罕見。
據(jù)悉,未來3至4年,這架耗資接近6億美元的太空望遠(yuǎn)鏡,將對(duì)銀河系天鵝星座與天琴星座的一小塊天區(qū),進(jìn)行“不眨眼”的持續(xù)觀察,所監(jiān)測(cè)的恒星數(shù)量將超過10萬(wàn)個(gè)。
這些恒星雖然全在地球幾百光年之外,但均位于天空中的同一方向。美國(guó)華盛頓卡內(nèi)基研究院參與這一研究的天文學(xué)家艾倫?博斯說:“這就像你打算研究一座城市,要先調(diào)查它的一片街區(qū)一樣。‘開普勒將告訴我們,必須搜查多少間‘房子,才能找到人類的鄰居?!?/p>
觀察燈塔邊的螢火蟲
搜尋太陽(yáng)系外的行星并不是一件容易的事情。
其中,最大障礙是恒星會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的光芒,掩蓋了行星的存在。北京大學(xué)物理學(xué)院天體物理學(xué)家劉曉為對(duì)《中國(guó)新聞周刊》打比方說:“這就好比幾十公里外有一盞耀眼的燈塔,你要在它附近找螢火蟲,非常困難?!?/p>
因此,直到1995年,天文學(xué)家才發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽(yáng)系外的行星。
事實(shí)上,這顆行星并不是天文學(xué)家直接“觀察”到的,而是利用“視向速度法”間接證實(shí)了它的存在。
由于引力作用,行星會(huì)對(duì)母恒星的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響,使其出現(xiàn)周期性的輕微擺動(dòng)。這種細(xì)微變化能夠在恒星的視向速度(天體沿觀測(cè)者視線方向單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離)中得到準(zhǔn)確的反映。因此,通過測(cè)算恒星的視向速度,就可以間接地尋找它附近的行星。
目前已發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系外行星,絕大多數(shù)都是通過“視向速度法”找到的。但這種方法只適合“觀察”質(zhì)量較大、距離恒星很近的行星(這類行星由于大小類似于木星,因此也被稱為“熱木星”),而對(duì)更小的類地行星,這種方法無能為力。
劉曉為告訴《中國(guó)新聞周刊》:“木星對(duì)太陽(yáng)視向速度的影響大概是10米每秒,而地球只有零點(diǎn)幾米每秒,很難觀測(cè)。”因此,視向速度法不適合尋找類地行星。
“開普勒”則是通過跟蹤“凌日”現(xiàn)象來尋找那些“失落的世界”。
“凌日”是指當(dāng)行星位于恒星和觀測(cè)者之間時(shí),出現(xiàn)的一種天文現(xiàn)象。比如在地球上可以觀測(cè)到水星凌日或金星凌日,這時(shí)人們看到太陽(yáng)表面上仿佛有個(gè)小黑點(diǎn)在緩緩移動(dòng)。同樣,觀測(cè)其他恒星系統(tǒng)也有可能看到類似的凌日現(xiàn)象,從而證實(shí)行星的存在。
事實(shí)上,2006年12月歐洲發(fā)射的“科羅”天文望遠(yuǎn)鏡,已經(jīng)通過“凌日”現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止最小的類地行星。不過,這顆大小相當(dāng)于地球兩倍的行星溫度極高,無法滿足生命存在的基本條件。
與圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的“科羅”不同,“開普勒”將會(huì)在遠(yuǎn)離地球的軌道上繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng),以避免地球?qū)ζ溆^測(cè)的干擾。
同時(shí),這也可以使“開普勒”能夠在3年半的時(shí)間里不間斷地觀測(cè)同一片天區(qū),而“科羅”由于地球的阻擋,對(duì)同一片天區(qū)的最長(zhǎng)連續(xù)觀測(cè)時(shí)間只有5個(gè)月。
如果一顆類地行星的公轉(zhuǎn)周期也是1年,而它恰巧又位于“開普勒”的視場(chǎng)之內(nèi),那就意味著它將有3次“凌日”現(xiàn)象被記錄下來。
艾倫?博斯說,當(dāng)你第一次觀察到恒星亮度“變暗”時(shí),不能說明任何問題。只有觀測(cè)到第二次“變暗”,你才能說這可能是“凌日”現(xiàn)象,不過這仍無法確定,你還需要等待下一次“變暗”。如果第三次“變暗”如期而至,基本就可以斷定這是一顆行星了,不過出于謹(jǐn)慎,你還應(yīng)該繼續(xù)等待第四次“變暗”的出現(xiàn),“而這些都需要持續(xù)不間斷地長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè),才能排除諸如恒星亮度自身漲落等因素的干擾”。
另外,“開普勒”具有非常廣闊的觀測(cè)視場(chǎng)范圍,至少能覆蓋10萬(wàn)顆恒星,“足以構(gòu)成一個(gè)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的樣本”,博斯說。事實(shí)上,這也是不使用“哈勃”望遠(yuǎn)鏡的原因——它的視場(chǎng)太小。
成功需要運(yùn)氣
“開普勒”最終能發(fā)現(xiàn)多少顆類地行星,現(xiàn)在沒人說得清楚。
不過,天文學(xué)家一般從理論上推測(cè)認(rèn)為,類地行星相當(dāng)普遍。博斯說,恒星在形成的時(shí)候,大量殘留下來的物質(zhì)會(huì)在其周圍形成一個(gè)“盤”,逐漸演化成行星系統(tǒng),“要讓類地行星無法形成,實(shí)際上反而會(huì)比較困難”。
與此同時(shí),天文學(xué)家說,類地行星要比“熱木星”更容易形成。此前觀測(cè)到擁有“熱木星”的恒星,在所有恒星中所占比例至少有10%,甚至可以達(dá)到20%。因此,他們認(rèn)為,類地行星的存在應(yīng)該更加普遍才對(duì)。
“由于觀測(cè)手段及精度的限制,現(xiàn)在還無法準(zhǔn)確估計(jì)宇宙中類地行星存在的數(shù)目,但粗略估計(jì),銀河系中可能存在上億顆類地行星?!眹?guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)趙剛對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說,“如果銀河系的觀測(cè)結(jié)果可以推及到其他星系,那么宇宙中的類地行星數(shù)目將是一個(gè)非常巨大的天文數(shù)字。”
趙剛曾于2009年1月借助視向速度法發(fā)現(xiàn)了一顆太陽(yáng)系外行星。這也是中國(guó)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一顆太陽(yáng)系外行星。他說,如果“開普勒”的探測(cè)獲得成功,人們對(duì)類地行星的認(rèn)識(shí)將有質(zhì)的飛躍。
不過,“開普勒”的成功或許還需要一些運(yùn)氣。
博斯說,如果假設(shè)每顆恒星都有一顆類地行星,而在1000顆類地行星中有一顆被觀測(cè)到,那么“開普勒”就能“看”到大約100顆類地行星。
“不過假如我們錯(cuò)了,比如說,每100顆恒星才有一顆類地行星,那么‘開普勒就只能找到一顆。如果運(yùn)氣不好,甚至連一顆也找不到。如果每1000顆恒星中才有一顆恒星擁有類地行星,那發(fā)現(xiàn)它們真的需要運(yùn)氣?!辈┧拐f。
博勒茨基說,如果找到了數(shù)量可觀的類地行星,那么未來15年,必定將掀起一股研究這些行星的熱潮,比如仔細(xì)地探索上面是否有氧以及其他和生命有關(guān)的證據(jù)。
不過,“開普勒”找到的結(jié)果也有可能走向另一個(gè)極端。如果最終發(fā)現(xiàn)的類地行星非常罕見,那將意味著地球可能的確非常稀罕,是宇宙中的一個(gè)特例,而要探測(cè)更遙遠(yuǎn)類地行星的計(jì)劃,不但在技術(shù)上還存在很大的障礙,而且也需要花很長(zhǎng)的時(shí)間。
無論“開普勒”發(fā)現(xiàn)了什么,都將會(huì)使得太陽(yáng)系外行星探測(cè)進(jìn)入一個(gè)新紀(jì)元。