我们该去哪里寻找系外行星生命?直接观测证据竟是污染气体

据英国广播公司(BBC)网站报道,天文学家们前几天刚刚宣布了他们在距离太阳系最近的恒星:半人马座比邻星周围发现一颗小型系外行星的消息,但天文学家们究竟是如何知道这颗行星是否存在宜居条件的?在科幻电影《星际穿越》中,宇航员们离开垂死的地球,前往宇宙深处寻找能够让人类栖身的宜居星球。

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在电影《星际穿越》中,宇航员们离开地球,去寻找新的宜居行星

然而前两个根据恒星-行星距离估算而猜测可能存在宜居环境的行星,进一步的考察结果却发现这里的环境简直就是地狱,根本无法让人类在此生存。考察小队抵达的第一颗候选行星上存在剧烈的潮汐效应,其地表的浪高可以超过1公里,而在第二颗星球上则是满世界的冰霜,并且空气中充满有毒的氨气。

当然克里斯托弗·诺兰(Christopher Nolan)导演的这部影片属于科幻类别,但它的确道出了从事系外行星研究的科学家们在研究宜居环境是否存在时所考虑的诸多因素中的某些方面。

系外行星意思是指位于太阳系以外的行星,它们通常会围绕另外一颗恒星公转。寻找可能拥有适宜生命生存环境的另一颗星球将帮助我们回答一个长久以来我们一直想要知道答案的问题:我们在宇宙中是孤独的吗?但是,当天文学家们对媒体表示某个系外行星拥有“潜在宜居”的环境,他究竟说的是什么意思?

与地球大小近似,围绕近邻恒星运行

波多黎各大学的阿贝尔·门德斯(Abel Méndez)教授表示:“当我们谈论‘潜在宜居’行星时,这种说法表示一颗行星拥有某些存在宜居环境所必须的特征。”

当然这只不过时一种最基本的陈述,而并不能保证任何东西。但是有两个方面是我们在谈论行星宜居性话题时必然会涉及的:首先,这颗行星的大小是否在与地球相接 近的范围内(因此有很大的可能性是一颗岩石行星);第二,这颗行星是否位于所谓宜居带范围内(因而有很大可能拥有较为适宜的温度环境)。

行星位于宜居带范围内是非常重要的。如果距离恒星太远,那么行星表面的温度很容易过低,导致水体结冰,无法以液态水形式存在;而如果反之,距离恒星太近,则 行星表面的水体容易被蒸发殆尽。但请记住,这些都只不过是基本的准则,要想真正判定一颗遥远的系外行星上是否存在适宜生命生存的环境,我们还需要考虑更多 的参数,当然其中有一些参数由于我们当前的技术条件限制是难以获得的,因此在这里也无法展开讨论。

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“凌星法”的原理如下:当系外行星的运行轨道平面恰好与我们的观测视线方向一致时,行星会从恒星前方经过,遮挡一部分星光,从而导致这颗恒星的亮度出现短暂下降。通过对这种亮度降低现象的仔细分析,我们可以推断出行星的存在

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恒星的质量越小,其宜居带距离恒星本身就越近

仅举一例,正如英国华威大学的系外行星专家唐·波拉克(Don Pollacco)教授表所言的那样:“当我们观察是什么因素赋予了地球宜居环境时,类似地球磁场这样的一些因素就会显得十分重要。但我们目前完全没有办法去测量一颗系外行星的磁场强度,因此我们只能选择忽略这一点。”

但其他一些因素同样非常重要,而且是可以进行探讨的。首先,我们目前所知绝大部分所谓“潜在宜居”行星都围绕红矮星运行。红矮星是一类相比我们的太阳质量更小,温度也更低,亮度更黯淡的小型恒星。

在银河系中红矮星是数量最多的恒星类型,几乎占据整个银河系内全部恒星总数的75%以上。但之所以我们所知绝大部分的小质量系外行星都围绕红矮星运行,其原因很大程度上是一种统计学偏差——因为红矮星质量比较小,周边的小质量行星施加的引力摄动就能对其产生较为明显的影响,从而更容易被人们察觉。

径向速度与掩星方法

天文学家们主要通过两种手段开展系外行星的搜寻:第一种是径向速度法,或者简单的叫做“晃 动法”。具体来说就是如前文中所言,精确测量可能存在的行星对其绕转的恒星所施加的引力影响;第二种方法叫做“凌星法”,其原理和我们观测水星凌日或金星 凌日相似。当系外行星的运行轨道平面恰好与我们的观测视线方向一致时,行星会从恒星前方经过,遮挡一部分星光,从而导致这颗恒星的亮度出现短暂下降。通过 对这种亮度降低现象的仔细分析,我们可以推断出行星的存在。

一般而言,通过径向速度法,我们可以了解一颗系外行星的质量大小,而凌星法则能告诉我们这颗系外行星的直径有多大。很显然,在采用径向速度法时,恒星质量越小越容易探测到其周围的行星,原因上文中已经解释。

而对于凌星法而言,相比大型恒星,较小的系外行星能够遮挡小型恒星更多的光芒,从而让地球上的观测者能够获得更加清晰的光变信号。如果恒星太大,而行星本身是地球大小的小型岩石行星,那么它经过恒星面前所造成的光变信号将会非常弱,无法识别。

不过,由于红矮星本身的亮度比太阳更暗,行星必须距离更近才能接收到足够的光照以便保持合适温度范围,从而能够让水体保持液态。

但这一点反过来也方便科学家们进行系外行星的搜寻工作:行星距离恒星的距离更近,那么它的公转周期也就越短,于是我们只需要经过相对较短的时间就可以收集到多个公转周期的数据,从而排除或确认相关信号的真实性。但与此同时,这一特点也会带来严重的负面作用——行星到恒星的距离越近,它受到的潮汐作用就越明显。这样就很有可能导致行星处于潮汐锁定状态,简单来说就是这颗行星的自转周期和它的公转周期会变得相同。很容易想象,处于潮汐锁定状态下的行星将总是以一面面朝恒星。

潮汐锁定

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在地球上,有一些生存在地下深处极端环境下的生命,这样的生命或许可以抵御类似红矮星产生的强烈辐射侵袭

月球处于地球的潮汐锁定状态下,这也就是为何我们总是只能看到月亮同一面的原因。但和月球不同的是,对于被恒星潮汐锁定的行星来说,将会出现半个行星永远是白天,另外半个行星永远是黑夜的情况。

唐· 波拉克指出:“热量从一个半球传往另一个黑暗半球的唯一途径,要么是从行星内部传导过去,要么就依靠大气的流动——当然前提是它有大气层的话。有人猜想, 如果这个行星一个半球是高温的,另一个半球是黑夜的,那么在这两个半球之间应该会存在一个温度适宜的区域。”他开玩笑说:“大概就像这样:往这边多走几步 你就被烤焦了,但如果往那边多走几步的话,你就被冻僵了。”

关于潮汐锁定对于行星宜居性的影响有很多不同的观点。但相比质量较大的恒星,小质量恒星的活动更加剧烈且难以预测。

波拉克教授和来自华威大学、贝尔法斯特女王大学和丹麦奥胡斯大学的同事们紧密合作,对美国宇航局开普勒望远镜所发现的多个系外行星目标进行了细致研究。

他们发现其中的一颗恒星Kepler -438上发生了一次超级耀斑,这是恒星表面的一种剧烈活动现象,能够将大量高能带电粒子抛射进入太空中。科学家们认为这些猛烈的爆发将可能撕开附近行星的大气层并摧毁地面上的所有生命。

但波拉克对此也提到了另外一方面的考虑,他说:“在地球上,我们在岩石内部和最深的海底都发现有生命存在。如果你距离这样的强烈耀斑太近,你就会明白这些生命躲在这些地方的好处。在那样的环境下,你将不得不采取不同的进化方式。”

他说:“我们已经知道有一个行星系统上存在着生命,现在我们正将这一系统作为标杆。但我们此前曾经使用过类似的类推方法,但却得到了出乎我们预料的结果。因此很有可能会发生的是,当我们以地球上的生命为基础去进行推测时,就很有可能会犯错。”

乔·耶金斯(Jon Jenkins)博士参与了美国宇航局开普勒空间望远镜项目,他赞同这一观点,并指出,当前有一个问题仍然还没有确切的答案,那就是生命究竟更加容易在哪一类型的行星系统中出现,是在围绕红矮星周围,还是在围绕类似太阳这样质量更大,也更为明亮的恒星周围?他表示:“在搜寻生命的旅程中,我们真的必须将每一块石头都翻过来,看看有什么东西会爬出来。”

阿贝尔·门德斯是波多黎各大学行星宜居实验室主任,他指出,此次发现的系外行星围绕比邻星运行,这是一颗红矮星,这一案例可以为我们检验各种不同理论提供机会。他说:“如果我们最终发现这样的环境是难以让生命在此生存的,那么这就意味着我们银河系内超过75%的恒星周围是难以出现适宜生命存在的环境的,这样的结论是非常有价值的。”

宇宙中的生命

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比邻星附近发现的系外行星将成为一个天然实验室,帮助我们检验很多理论的正确性

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詹姆斯·韦伯空间望远镜将于2018年发射升空,预计它将革新我们对于系外行星的理解

然而,并非我们所有的潜在目标都围绕暗弱的小质量恒星运行。就在2015年,美国宇航局宣布开普勒空间望远镜发现了一颗比地球稍大的系外行星,这颗行星围绕运行的是一颗与太阳相似的恒星,并且这颗系外行星的公转周期也和我们的地球相当接近:385天。

很多人认为开普勒452b是迄今发现的和地球最相近的行星,这并不令人奇怪,但耶金斯博士指出,当时美国宇航局的研究组为了作出这项发现,开展了非常艰难的工作。

首先,他们必须排除来自那颗与太阳同一级别的恒星产生的“噪音”信号,结果显示其活跃程度比预想的高出了两倍。但同时研究人员们还必须与图像中的干扰信号作斗争,这些干扰信号是由于望远镜本身的主要设备在特定的飞船热环境下所产生的。

尽管目前要想找到运行在宜居带内,且围绕类太阳恒星运行的系外行星仍然是非常困难的,但在不久的将来,天文学家们几乎肯定将能够对大量此类系统开展研究。

之所以有这样的自信,是基于未来十年内全球即将要投入运行或者发射升空的地基或天基的大型先进望远镜设备,其中包括欧洲的柏拉图望远镜(PLATO)、美国宇航局的詹姆斯·韦伯空间望远镜以及设在智利境内的欧洲极大望远镜(E-ELT)。

耶金斯博士任职于美国宇航局设在加州的埃姆斯研究中心,他指出:“说起来真是令人难以置信。因为仅仅是在30年前,当我还是个大学生的时候,在那个时候仅仅是想探测到一颗系外行星听上去都像是科幻故事。”他说:“我非常期待看到在未来的30年内将会发生怎样的进展。”

寻找系外行星上的生命迹象,有一种方法是探测这些遥远行星大气中的气体成分,这被阿贝尔·门德斯称作是“伟大的下一步”。

他表示,这一进展或许将让我们能够“不 仅能够判断某颗系外行星是否宜居,还能告诉我们这颗行星上目前是否已经存在生命。”门德斯教授认为,在那些位于宜居带内的系外行星大气中检测氧气或者甲烷 气体的存在将是提供这类证据的重要途径。但他也承认,如果真的检测到这样的气体,仍然还不足以确认系外行星上生命的发现,你还需要其他方面的证据支持。

不过,天文学家们都一致同意有一样气体信号的确是可以作为生命存在的确凿证据的,那就是只能通过人工方式产生的那些气体,换句话说就是——污染物。波拉克教授承认这样的想法有些令人丧气,但他指出:“这必定能够说明些什么——或许是某个技术社会。”

的确,这样的想法有些让人沮丧——我们发现的首个地外生命证据或许将可能是某个正在破坏自己所居住环境的外星社会,我们找到的首个直接观测证据竟然是他们排放在自己星球大气中的污染气体。

但不管如何,正如波拉克所言,这样的结果也毕竟有它正面的意义:“终于,我们找到了能够与之对话的同类。”

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