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寻找新地球:探测太阳系外行星大气

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寻找新地球:探测太阳系外行星大气的图片 第1张

寻找新地球

寻找新地球:探测太阳系外行星大气的图片 第2张

开普勒空间望远镜从2009年起,就一直在监视超过100 000颗的近距恒星,观测当一颗行星从宿主恒星和地球之间经过时导致的恒星亮度下降。这一太阳系外行星的凌星现象通常会使得一颗恒星的亮度下降万分之一。

寻找新地球:探测太阳系外行星大气的图片 第3张

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寻找新地球:探测太阳系外行星大气的图片 第4张

图解  银河系中充满了行星。科学们正在其他“地球”,竭力探测它们的大气,以此来寻找地外生命的迹象。

撰文 迈克尔?D?莱蒙尼克(Michael D. Lemonick)

翻译 谢懿

本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》杂志2013年8月刊。

从经验丰富的天体物理学家,到初出茅庐的科学记者,当时在场的每一个人都不会忘记1996年1月的那场新闻发布会。这场发布会是在美国天文学会冬季会议上的召开的,美国旧金山州立大学的天文学家杰弗里?W?马西(Geoffrey W. Marcy)在发布会上宣布,他和他的搭档、当时任职于美国加利福尼亚大学伯克利分校的R?保罗?巴特勒(R. Paul Butler)发现了围绕类太阳恒星转动的第二和第三颗行星。而在此的几个月前,瑞士日内瓦大学的米切尔?梅厄(Michel Mayor)和迪迪埃?奎罗兹(Didier Queloz)曾宣布,他发现了第一颗这样的行星——飞马51b(51 Pegasi b)。不过,刚发现飞马51b时,科学家还认为这也许只是偶然发现,或者甚至可能是个错误。在发布会上,马西已经可以确信地说,这既不是偶然也不是错误,他告诉观众,“行星根本就不罕见”。

这一发现震惊了天文学界。以前,由于科学家自认为寻找太阳系外行星过于困难,因此几乎没有人搜寻它们。而现在,仅对几颗恒星进行搜索之后,天文学家就发现了三颗行星,这表明还有数十亿颗行星有待发现。

如果巴特勒和马西仅仅是解决了一个有关行星形成理论的问题,那么他们的发现不会引起那么大的轰动。事实上,他们的发现不仅证明太阳系外行星确实存在,而且在这些行星的发现还可能回答一个古希腊以来就一直困扰着哲学家、科学家乃至神学家的问题:我们在宇宙中是否孤独?

在最初的欢庆之后,科学家决定弄清楚,如何才能查明在那些围绕其他恒星转动的行星上,到底有没有哪怕是最原始的生命形式。由于至今科学家还没有像电影《超时空接触》(Contact)中的朱迪?福斯特(Jodie Foster)那样,截获外星人发来的讯息,因此要是实现这个目标,就只能在太阳系外行星的大气中寻找生命迹象,也就是高活性分子存在的证据。例如氧气,除非有某种可进行新陈代谢的生物体不断补充,否则氧气很快就会消失。

马西、梅厄和同事当年观测到的,仅仅是行星对宿主恒星的引力作用;要探测生命迹象,你必须直接对行星大气进行直接观测。为此,美国航空航天局计划,发射一系列更为强大的空间望远镜,而这个计划的高潮部分,则是在轨空间望远镜“类地行星搜索干涉仪”(Terrestrial Planet Finder Interferometer)的发射,它将耗资数十亿美元,预计发射时间为21世纪20年代。总之,天文学家当时认为,对太阳系外行星大气的了解,绝不是一时半会儿就可以做到的。

但他们错了。最初几颗太阳系外行星的发现,激励了整整一代的年轻科学家投身这个领域,让这一领域成为了天体物理学中最热门的研究方向。同时,许多资深天文学家也转向了太阳系外行星的研究。众多优秀科学家的加入,为探测太阳系外行星的带来了全新的想法,也使这个领域迅速发展。到2001年,天文学家已在一颗太阳系外行星的大气中发现了钠。此后,又陆续发现了甲烷、二氧化碳、一氧化碳以及水。通过研究太阳系外行星的大气,天文学家甚至还发现有间接的证据表明,一些行星可能部分是由钻石所组成的。“到目前为止,如果算上还没有发表的结果,我们已经对30~50颗行星的大气有了一定的了解,”参与了许多开创性观测的、美国加州理工学院的天体物理学家希瑟?克努森(Heather Knutson)说。

但这些发现还远不足以证明地外生命的存在——这并不奇怪,因为克努森所谈论的绝大多数行星都是温度很高的类木行星,它们到各自宿主恒星的距离,比水星到太阳的距离还要近。不过,克努森及其他天文学家已经开始探测更多较小的太阳系外行星的大气。这些行星被称为“超级地球”,质量介于2~10个地球质量之间——即使在10年前,都没有人会想过,会发现这样的天体。2013年4月,开普勒空间望远镜宣布发现了两颗大小不足地球2倍的行星,它们的温度都允许生命存在,这一发现暗示,生命宜居的行星其实大量存在。因此,虽然这两颗行星(被称为开普勒62e和62f)距离过于遥远而无法仔细研究,但天文学家还是相信,用不了多久,他们就能在类地行星的大气中寻找生命迹象。

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