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      1. 【赛先生】用ET寻找宇宙中的“E.T.们” | 赛先生天文

        文章来源:上海天文台  |  发布时间:2022-07-14  |  【打印】 【关闭

          
        本文首发于微信公众号“赛先生”并获授权转载
        宇宙中真的存在如E.T.这样的智慧生命吗?我们又应该如何寻找他们?图片来源:电影《E.T.》剧照
         
        导语:
          在过去几周,我们推送了《类地行星中的“葫芦七兄弟”和它们的小宇宙》《天涯若比邻:寻找“地球2.0”》等文章,详细介绍了寻找系外行星、地外生命,以及超级地球,甚至是地球2.0的各种方法及相应的计划、项目。今天,我们将介绍另一个寻找系外行星及地外生命的路径,而它的名字缩写,恰好与40年前电影中的外星生物相同。本期赛先生天文,让我们看看科学家如何用ET卫星来寻找宇宙中的E.T.们。
         
        撰文 | 葛健、张辉、邓洪平(上海天文台)
        责编 | 王馨心、吕浩然
         
        “Are we alone?”
          人类蓬勃发展的动力源于自身内禀的好奇心,而那些探索未知世界的英雄之所以伟大,是因为他们不会将好奇心仅停留于幻想,而是勇敢地把它变成现实。古往今来,伴随着人类宇宙观翻天覆地的变化,历代先哲都曾孜孜不倦地思考过人类在宇宙中的位置。
          科学(特别是天文学)的发展不仅仅推动了人类对宇宙的客观认识,更让人类意识到自己并不特殊——地球(或太阳系、银河系)并不是宇宙的中心,人类也没有理由是宇宙中唯一的智慧生命。“Are we alone?” 这是一个横亘人类文明发展史的问题。但站在今天的科技水平上,也许正确的问题应该是“Where are they?”——著名的物理学家费米(Enrico Fermi,1901-1954)提问(也称“费米悖论”)。
          按照费米博士的量级估计,仅银河系内就将有近百万文明,如果其中一半的文明程度超过地球,那银河系内就应该不难发现智慧的痕迹。然而时至今日,人类也从未发现过任何地外文明存在的真正可信证据,更不用说和人类有了真正接触的智慧生命(如E.T. the Extra-Terrestrial 和 Contact 电影中描述的那样)。
          对费米悖论的解释非常多,这里不过多赘述。简单回顾众多解释就会发现,以前人类只能被动地等待(接收)地外文明发出的信号,如果对方没有能力(或者不愿意——例如黑暗森林理论)进行星际广播,那人类自然得不到任何信息。可是中国有句古话说得好,“跑得了和尚跑不了庙”。得益于现代探测技术,尤其是空间技术的飞速发展,如今人类已经可以主动搜寻那些能够孕育类地生命、支持智慧文明发展的行星了,我们称之为——地球2.0。
          由于到目前为止,人类仅有地球这唯一的样本(观测上尚未发现真正意义上的地球2.0),因此,对地球在宇宙中出现率的测量很不确定,其取值范围在国际上众说纷纭(图1)。而且,我们不仅无法回答我们是否是宇宙中唯一生命的问题,也不知道地球在宇宙中是多么普遍的存在。美国国家航空航天局(NASA)在2009年发射的开普勒(Kepler)科学卫星的最核心的目标就是要发现若干个地球2.0,从而回答这些基本问题。
        图1:目前对地球出现率的研究结果有着巨大的不确定性。图片来源:参考文献[1]
         
          然而遗憾的是,由于仪器(相继失效的飞轮和很高的仪器噪声)和科学(超过预期的恒星活动性噪声水平)等多方面的原因,Kepler卫星虽然找到了新的行星种群:大量大小介于海王星和地球之间、位置大都在水星轨道以内的亚海王星和超级地球,但却未能找到地球2.0。因此,为了能回答这些人类最关心的基本问题,并在宇宙中找到其他生命,甚至智慧文明,我们迫切地需要一个新的空间科学卫星来完成Kepler所未完成的、具有重大历史意义的科学任务。
          中国科学院空间先导背景型研究支持的地球2.0空间巡天(简称ET)就是使用技术相对成熟的空间凌星法来搜寻地球2.0的空间卫星项目(图2)。ET的核心目标是发现具有重大历史意义的第一颗地球2.0,同时通过4年的搜寻试图发现10-20颗地球2.0(图3),并借此来首次精确确定地球这类行星的出现率。这一关键信息是人类估算银河系内的地外生命乃至地外文明数量的基础之一,因此,精确确定地球的出现率也将是一个里程碑式的发现。
        图2:地球2.0巡天空间卫星(简称ET)的核心科学目标就是通过技术相对成熟的凌星法来搜寻类太阳恒星宜居带内的类地行星——地球2.0。图片来源:NASA
         
        何为地球2.0?
          为了找到这样的第二个“地球”,我们先要思考地球有何独特之处,使之能够孕育生命,并在足够长的时间里支撑生命的繁衍与进化。
          首先,地球围绕着一颗相对温和的恒星运转,行星环境不至于被恒星表面频繁的耀发所带来的X射线和紫外线过度侵扰,使得生命难以产生和存活;其次,地球与恒星距离合适,使得行星表面可以允许液态水的存在(宜居带);  第三,地球的表面是岩质的,能够支撑生命的稳定发展和演化,同时它内部的结构允许一定的板块运动和磁场活动,使得物质可以有序地循环;最后,地球还拥有适宜的大气成分(如水、氧气,同时氧气也是生物存在的标识分子之一),不至于像金星一样发生极端失控的温室效应。
          基于对地球上生命的产生和演化的认识,地球2.0行星是那些分布在宜居带中、绕着类太阳恒星转,且与地球大小、质量(约0.8-1.25地球半径和0.5-2地球质量)相当的行星。由于它们和地球的环境非常相似,地球2.0上如果存在生命,将最有可能进化出甚至与人类文明相近(至少是可以交流)的地外文明。
          在日常生活中,我们经常被“科学家发现新的宜居行星”这类新闻刷屏,但实际上这些报道中的宜居行星与真正的地球2.0相差甚远。这些报道的宜居行星要么个头太大(如在宜居带中的超级地球),要么就是围绕着小质量的红矮星。对于这些超过2倍地球质量的超级地球,它们的表面多半都因为引力太大而导致布满火山岩浆,同时也多半具有富含氢气的浓厚大气,这些都极不利于生命的产生和演化。
          相同地,对于绕着小质量红矮星并处于宜居带中的地球大小和质量的行星,它们的环境也和地球相差甚远,不利于生命的存活。红矮星大多数都有较强的耀斑活动,经常发生10-1000倍太阳强度、含大量对生命有害的X射线和紫外线的耀发,可电离行星的大气,使之逐渐从行星上剥离。不仅如此,狭窄的红矮星宜居带还非常靠近主星,其中的行星会受到强烈的潮汐力作用,导致它们的表面被锁定,使得只有其中的一面会一直对着恒星,行星对着恒星的那面多半炎热干燥,而另一面可能严寒潮湿,行星的内部活动和大气环流受到这种潮汐锁定的严重影响,造成迥异于地球的环境(图3)。这些都将非常不利于生命的生存。
        图3:目前共发现十颗地球大小位于”宜居带”内的行星,但它们都以较小的周期围绕活跃的红矮星公转,拥有和地球差异巨大的空间和大气环境,它们的真实宜居性很不确定。ET卫星旨在利用凌星探索类太阳恒星宜居带内地球大小的行星,并通过微引力透镜法探测离主星更远,甚至孤独流浪的地球大小的行星。图片来源:参考文献[4]
         
        寻找地球2.0的确认过程
          为了搜寻和确定适合生命生存与繁衍的地球2.0,我们需要确定其恒星是否为相对安静的类太阳恒星、行星是否处于宜居带内、其大小/质量是否和地球相似,以及是否拥有适宜的大气环境等关键因素。我们需要完成四个关键物理量的测量:行星的轨道周期、大小(半径)、质量和大气成分。其中行星的大小和质量同等重要,对推断行星结构和内部组成缺一不可, 如trappiest-1 e、f、g行星[2]。只有那些在这四个维度上接近地球的候选者才是真正的地球2.0,为未来探索地外生命提供候选目标,也为研究地外生命打下坚实基础。
          目前主要的行星探测方法有凌星法、视向速度法、微引力透镜法、直接成像法和天体测量法(按探测到的行星数量排序)。其中凌星法通过测量行星从恒星前面掠过时,遮掩恒星所造成的周期性亮度衰减来确定行星的大小和周期。到目前为止,凌星探测已经发现了大约70%的已知的5千多颗系外行星,和图3中6/10的地球大小的行星,是目前最有效和最精确的搜寻系外行星的方法。
          国际上已运行的空间搜寻系外行星的卫星全都采用成熟的凌星法,如欧洲的CoRoT和CHEOPS卫星,以及美国的Kepler和TESS卫星。同时,欧洲空间局计划于2026年发射的Plato卫星也是采用凌星法搜寻和探测系外行星。美国21世纪初曾考虑使用基于空间天体测量法的SIM Lite卫星来搜寻近邻系外行星,但因为技术极具挑战性以及造价昂贵而取消了此计划[6]。代替这一计划的是基于成熟的空间微引力透镜法的Roman卫星。微引力透镜法能探测到处于火星轨道以外以及海王星以内的各类冷行星,还具有搜寻和探测流浪行星的优势。
          各种探测方法都有各自的优势和不足,只有互相配合才有可能充分刻画所发现行星的特质,确认行星是否与地球相似,完成地球2.0确认的艰巨任务。例如,通过高精度的空间凌星观测发现若干个地球2.0候选体,需要进一步通过地面大望远镜的后随高精度视向速度观测来测量行星的质量,然后结合凌星法测到的大小获得行星密度,并借此来推断行星的表面和内部结构以确定行星的宜居环境。同时,通过地面和空间大型望远镜(如30米望远镜TMT和詹姆斯·韦伯空间望远镜JWST)的后随光谱观测可测量凌星时的透射光谱,分析行星的大气成分,寻找生命的痕迹(如图4)。
          因此,空间凌星法结合地面和空间的后随视向速度和光谱观测非常有效,可以胜任确认地球2.0和搜寻生命迹象的艰巨任务。然而,通过视向速度或天体测量发现的地球2.0候选体极大概率(99.5%)不会恰好处于恒星和观测者的视线之间,也不会发生凌星现象。因此这些候选体无法通过后续观测测得行星大小和密度(利用目前技术手段),更无法通过透射光谱确定行星大气成分。所以,这两种方法很难确认地球2.0,更无法搜寻生命迹象。
         
        构建完备的系外行星种群
        图4:凌星法通过探测恒星由于行星遮挡而造成的亮度衰减而发现行星,确认它们的大小和轨道周期。行星引力会造成主星晃动(虚线轨道),我们也可通过测量恒星位置移动(天体测量)或恒星光谱偏移(视向速度法)间接推断行星的质量。然而只有发生凌星的行星(观测者与行星轨道几乎共面),才可以获得半径测量和大气成分分析。注:图中两颗示意恒星代表不同方法探测到的行星,不属于同一行星系统。图片来源:作者供图,credit:方童
         
          ET卫星的凌星望远镜将凝视Kepler卫星和它附近500平方度的天区中的120万颗类太阳恒星和红矮星,预计发现近三万颗系外行星,是目前已知数目的6倍,这将极大地拓展系外行星的参数空间(图5)。这些新行星样本包含约五千颗类地行星[3/4/5],是目前已知类地行星数目的约15倍,其中大约有10-20个首次发现的地球2.0的候选体。对这些地球2.0的候选者的后随视向速度和凌星光谱观测将帮助确认其中的真正地球2.0,迈出寻找地外生命的关键的、不可或缺的一步。
          地球2.0的确认无疑将是探索宇宙的历史丰碑,但要了解地球或者地球2.0的特性则需要我们理解类地行星整个种群如何分布、如何形成,以及它们如何受到其他因素(如恒星特征、环境,以及其他类型的行星)的影响等基本问题。凌星卫星更易探测到周期较短的行星,为了更好地了解长周期行星的性质,ET卫星还搭载了一台微引力透镜望远镜,通过分析恒星-行星引力透镜在放大背景恒星亮度时的光变曲线,发现长周期,甚至宇宙中流浪的类地行星。
          ET的微引力透镜巡天预计会探测到大约400个冷行星和600个流浪行星,其中大约1/5是类地行星,并且通过和地面的KMTNet望远镜的同时观测确定大约300个冷行星和流浪行星(包括流浪地球)的质量。
        图5:ET的发现将在Kepler卫星的基础上进一步拓展我们对系外行星种群的认知空间。横坐标为行星轨道周期,纵坐标为行星半径。黑点为Kepler发现的系外行星,有颜色的点是ET预计发现的系外行星。偏黄的点是比太阳稍大的恒星周围发现的系外行星,绿色的点是在太阳大小相似的恒星周围发现的系外行星,偏蓝的点在比太阳小很多的红矮星周围发现的系外行星。图片来源:参考文献[3]
         
          ET卫星发现的这些微引力透镜行星和凌星行星一起,将首次提供对系外行星的各种种群的完备样本,帮助深刻揭示行星(包括类地行星)的多样性和独特性,对行星形成和演化的理解提供启示。我们殷切期待ET能发现 ”第二个“地球,为人类回答”are we alone?"这一问题发出中国天文学家的声音!
         
        作者简介:
          葛 健,中国科学院上海天文台研究员(2020年至今),曾为美国佛罗里达大学终身教授(2004-2020),长期从事实测天文,天文技术和仪器研究。中国科学院空间先导地球2.0科学卫星背景型号研究的创始人和首席科学家、达摩近邻宜居行星巡天的创始人和首席科学家、科幻片《星际迷航》中的瓦肯星系外行星的发现者、全球首位找到地外行星的华裔科学家、国际斯隆数字巡天三期MARVELS多目标地外行星巡天创始人和首席科学家等。
          张辉,中国科学院上海天文台“百人”研究员、博士生导师。主要从事与太阳系外行星相关的理论研究和高精度测光巡天观测,先后承担了中国南极巡天望远镜(AST3)、南京大学的“时域天文台”(TiDO)大视场巡天运行与数据处理工作。其工作曾入选2019年“全国十大天文科技进展”(中国南极系外行星搜寻);2020年获得第一届“江苏省天文学会青年人才奖”与“江苏省天文学会科学技术奖一等奖”(第三完成人)。目前担任中科院先导项目“地球2.0(ET)”的科学应用系统负责人,承担观测数据的模拟、巡天结果的仿真和整体数据中心的运行工作。
          邓洪平,中科院上海天文台副研究员,2019年在苏黎世大学获博士学位,主要从事行星形成理论方面的研究。
         
        参考文献:
        [1] M. Kunimoto & J. M. Matthews, (2020), Searching the Entirety of Kepler Data. II. Occurrence Rate Estimates for FGK Stars, AJ, 159:248;
        [2] Grimm, S. L.,  Demory, B. et al., (2018), The nature of the TRAPPIST-1 exoplanets, AA, 613,68;
        [3] Ge, J., Zhang, H., Zang, W.C. et al., (2022a). ET White Paper: To Find the First Earth 2.0, arXiv:2206.06693, https://arxiv.org/abs/2206.06693;
        [4] Ge, J., Zhang, H., Deng, H., Howell, S.B., the ET team, (2022b), The ET mission to search for Earth 2.0s, The Innovation, doi: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100271
        [5] Ge, J., Zhang H. Deng, H.P., et al. (2022c), "The Earth 2.0 Space Mission for Detecting Earth-like Planets around Solar Type Stars", Proc. SPIE, 12180-41, in press.
        [6] https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Interferometry_Mission
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