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      真的存在另一個地球嗎?

      2020-03-02 07:44:43宋媛媛
      百科探秘·航空航天 2020年2期
      關鍵詞:外行星天文學家宜居

      宋媛媛

      夜幕降臨,當你抬頭仰望滿天繁星時,是否想過,在浩瀚的宇宙中,也許有一個星球和地球一樣存在著生命?此刻,那顆星球上的生命,是否也在仰望宇宙呢?

      除了太陽系內的行星,夜空中我們看到的數不盡的繁星幾乎都是恒星。整個銀河系約有3000億顆恒星,這些恒星大多都像太陽一樣發(fā)光發(fā)熱,有的甚至比太陽大幾十倍、幾百倍,只不過它們距離我們非常遙遠,所以傳到地球上的光就顯得非常微弱了。

      行星本身并不具備發(fā)光能力,金星、火星、木星等都是因為反射了太陽的光才變得如此明亮。太陽系外有行星嗎?答案是肯定的,太陽系以外的行星我們稱之為系外行星。人類第一次發(fā)現系外行星是在1992 年,兩位射電天文學家亞歷克山大·沃斯贊和達爾·福萊爾發(fā)現有兩顆行星正圍繞恒星遺骸——脈沖星PSR 1257+12運行。這個系外行星系統(tǒng)位于室女座,距離我們約2300光年。這一發(fā)現震驚了世界,從此,天文學上開啟了探測系外行星的新篇章。

      然而天文學家們更熱衷于探測一些“中青年”恒星周圍的行星,因為這樣的恒星的行星系統(tǒng)才穩(wěn)定,更適合生命存在。截至2019年9月,天文學家已經確認了4000多顆系外行星,還有更多的候選行星等待被確認。

      系外行星科學假想圖

      怎樣探測系外行星?

      我們能直接觀測到系外行星嗎?難度非常大。因為行星本身不發(fā)光,體積又比恒星小很多,所以行星的身影很容易被恒星明亮的光芒掩蓋,目前也只有幾十顆系外行星能被直接觀測到。

      天文學家們尋找系外行星,更多的是運用間接的技術,對恒星本身進行分析。

      第一幅系外行星的圖像(紅外波段),是智利的甚大望遠鏡于2004年拍攝的。圖像中央的恒星2M1207是一顆褐矮星,左下角的行星2M1207b質量大約是木星的3~10倍,這個恒星系統(tǒng)距離我們約170光年。

      第一幅系外行星圖像

      視向速度法

      恒星多普勒效應

      行星圍繞恒星運動,恒星反過來也會受到周圍行星攝動力的影響,發(fā)生周期性微小的擺動。行星的質量越大,恒星受到影響的擺動也越大。如果這種周期性微小的擺動被探測到,不就恰好證明了這顆恒星擁有行星嗎?那么如何才能探測到這種微小的擺動呢?其中一種方法就是利用恒星光譜的多普勒效應。

      恒星多普勒效應

      提到多普勒效應,我們首先想到的是聲音的多普勒效應,一輛一直鳴笛的汽車迎面駛來時,鳴笛聲會變得尖銳,音調變高;車離去時,鳴笛聲變得低沉,音調變低。這是因為聲波向觀察者接近時,波長變短;聲波遠離觀察者時,波長變長。

      聲音的多普勒效應

      不僅是聲波,其他類型的波同樣也有多普勒效應,比如電磁波。無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線都是電磁波,但它們的波長不同??梢姽庵屑t光的波長最長,紫光的波長最短,所以當電磁波接近觀察者時,波長變短,向藍紫光方向移動,稱為藍移;當電磁波遠離觀察者時,波長變長,向紅光方向移動,稱為紅移。

      恒星發(fā)出的光被我們的望遠鏡捕捉到后,進行分析,如果發(fā)現有周期性紅移現象和藍移現象,說明恒星很可能受到行星的影響而發(fā)生擺動。這種方法被稱為視向速度法。其實,恒星運動的幅度是非常小的,觀測難度很大,目前的技術可以識別1米/秒的視向速度變化已經非常厲害了。不過,如果恒星運動垂直于我們的視線,我們就很難觀測到它的運動了。

      利用HARPS光譜儀發(fā)現的羅斯128b系外行星

      凌星法

      你聽說過“水星凌日”“金星凌日”的奇妙天象嗎?如圖所示,從地球上看,水星和金星有時會從太陽表面經過,在日面上留下它們的身影。

      2004年的金星凌日

      系外行星與其圍繞的母恒星也會發(fā)生這種現象,即行星凌星。如果這種現象被觀測到,就能證實系外行星的存在。當系外行星發(fā)生凌星時,恒星由于被部分遮蓋,亮度會減弱。利用高靈敏度的測光技術測量恒星亮度的變化周期和幅度,就可以推測出系外行星的情況了。

      金星凌日現象在地球上并不常見,可以想象系外行星凌星這樣的情況,也要非?!皽惽伞保拍鼙晃覀儾蹲降?。為了提高發(fā)現概率,天文學家需要長時間反復觀測數以千計的恒星。此外,凌星法也容易受很多因素的干擾,探測凌星現象需要一個穩(wěn)定的觀測條件,太空望遠鏡就非常適合承擔這項任務。因為避免了地球大氣層的干擾,太空望遠鏡可以連續(xù)不間斷地對恒星進行高精度觀測。

      除了視向速度法和凌星法,直接成像法、天體測量法、引力透鏡法等也可以用來尋找系外行星。不過,視向速度法和凌星法是較為常用的兩種探測方法,特別是凌星法,一般的太空望遠鏡都采用此方法。有了太空望遠鏡的持續(xù)工作,人類發(fā)現系外行星的數量也大大增加了。

      “行星獵手”——系外行星探測器

      2006年,歐洲成功發(fā)射了CoRoT太空探測器,它的任務之一就是檢測系外星系凌星造成的亮度變化。2012年,由于故障原因結束使命前,CoRoT共發(fā)現并確認了31顆系外行星。

      2009年,美國成功發(fā)射了開普勒太空望遠鏡。由于開普勒太空望遠鏡的口徑更大,所處的環(huán)境更加黑暗,所以它比CoRoT探測到的系外行星更多,很快便成為探測系外行星的主力。2018年10月30日,開普勒太空望遠鏡因燃料耗盡正式退役,在長達9年的工作中,“開普勒”共搜尋到53萬多顆恒星,發(fā)現并確認了2662顆系外行星,為天文學的發(fā)展做出了巨大的貢獻。

      CoRoT太空探測器

      2018年4月,美國又發(fā)射了TESS太空望遠鏡,成為開普勒望遠鏡的“接班人”。TESS太空望遠鏡雖然只有一臺冰箱大小,但卻有著更高的觀測靈敏度,剛“上任”不久,它就有了很多重要的收獲。截至2019年9月,TESS太空望遠鏡發(fā)現并確認了29顆系外行星,還有1000多顆候選行星等待確認。

      除此之外,哈勃太空望遠鏡、斯皮策太空望遠鏡和位于夏威夷島的凱克望遠鏡等都曾發(fā)現過系外行星。

      TESS太空望遠鏡

      “超級地球”和地球一樣嗎?

      不知你有沒有發(fā)現,每隔一段時間,人們就會發(fā)現一顆“超級地球”。聽上去好像這些系外行星也存在生命或者適宜居住一樣,但事實并非如此。迄今為止,由于受到技術限制,我們發(fā)現的大多數系外行星都是龐大的、氣態(tài)的、像木星一樣的“類木行星”。只有質量是地球2~10倍的系外行星才被稱為“超級地球”,質量低于地球質量2倍的系外行星則被稱為“類地球”。可見,天文學家口中的“超級地球”和地球其實并不一樣,它們只不過比地球大一些,“宜居”的可能性更大而已。

      綠色部分屬于宜居帶

      那么到底什么樣的行星適合居住呢?科學家們提出了“宜居帶”的概念,地球就處在宜居帶內。宜居行星首先應該像地球一樣屬于固態(tài)行星,并且其大氣、溫度、液態(tài)水的環(huán)境要和地球類似。宜居帶的范圍取決于恒星自身的性質:質量較小、溫度較低的暗弱恒星,宜居帶會離它更近:而質量較大、溫度較高的明亮恒星,宜居帶則離它更遠。

      一些“超級地球”的發(fā)現

      早在第一顆系外行星被發(fā)現后,天文學家們相繼發(fā)現很多行星都位于宜居帶內,但它們都是大個頭兒、氣態(tài)的“類木行星”。直到2007年,天文學家通過視向速度法首次發(fā)現了一顆處于宜居帶內的“超級地球”——Gliese 581c,它是地球質量的5.5倍。其恒星Gliese 581是一顆位于天秤座內的紅矮星,距離地球約20.37光年,但是不久之后的研究發(fā)現,Gliese 581c有著極端的像金星一樣的惡劣環(huán)境,并不宜居。同年,Gliese 581d被發(fā)現,2014年Gliese 581g也被發(fā)現,這兩顆行星似乎比Gliese 581c更宜居,但是不久之后也被否定了。

      Gliese 581行星系統(tǒng)與太陽的宜居帶對比

      2015年發(fā)現的開普勒452b,圍繞著一顆與太陽同類型的1E星旋轉,其直徑是地球的1.6倍,人們認為這顆系外行星上很可能存在生命或者“宜居”。所以,這顆系外行星也被稱為“地球2.0”或“地球的表兄”。不過,這位“表兄”在引起地球人瘋狂討論的同時,也遭到了一些天文學家的質疑。

      2019年9月,英國發(fā)布的一項研究表明:太陽系外一個宜居帶內的“超級地球”K2-18b的大氣中含有水汽。這一發(fā)現激動人心,盡管K2-18b的質量是地球的8倍,比地球大了很多,但是它很可能是除地球外最宜居的行星。然而這一次能否命中?我們只能等待天文學家們的進一步研究啦!

      我們在宇宙中是孤獨的嗎?你是否相信另一個地球的存在?為了解答這些疑問,天文學家們從未停止對系外生命的探索。相信隨著觀測技術的不斷發(fā)展,我們發(fā)現的系外行星會越來越多!在那些遙遠的星系中,也許就隱藏著另一些宇宙生命的信息,讓我們一起期待吧!

      諾貝爾獎簡訊

      2019年10月,瑞士天體物理學家米歇爾·馬約爾和天文學家迪迪?!た迤?,因“發(fā)現一顆圍繞類太陽恒星運行的系外行星”捧走了諾貝爾獎。

      1995年,米歇爾·馬約爾和迪迪?!た迤澰诜▏喜康钠樟_旺斯天文臺,使用定制的儀器,發(fā)現了“第一顆圍繞類太陽恒星運行的系外行星”——飛馬座51b。這顆系外行星處于我們所在的銀河系中,環(huán)繞著一顆類太陽恒星運行。這一發(fā)現在天文學界掀起了一場革命,此后人們陸續(xù)在銀河系中發(fā)現了超過4000顆系外行星。這些“新世界”的發(fā)現,挑戰(zhàn)了我們關于行星系統(tǒng)先入為主的觀點,促使科學家們不斷修正關于行星起源背后的物理過程的理論。

      米歇爾·馬約爾

      迪迪?!た迤?/p>

      早在1992年,天文學家亞歷克山大·沃斯贊和達爾·福萊爾就在脈沖星PSR 1257+12周圍發(fā)現了兩顆“圍繞脈沖星運行的”系外行星,為什么沒有把諾貝爾獎頒給他們呢?那是因為脈沖星與太陽不同,它是高速旋轉的中子星,是大質量恒星死亡后的產物,它會向四周散發(fā)致命的電磁輻射,所以環(huán)繞它運行的系外行星幾乎不可能出現生命??紤]到尋找系外行星的初衷是為了發(fā)現生命,因此,這項創(chuàng)造了“第一”的科學壯舉并未獲得諾貝爾獎的青睞。

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