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寻找下一个地球

周济林
2019-08-09 10:23:37  来源:解放日报

  不久前,在“造就Talk”演讲中,南京大学天文与空间科学学院院长周济林为我们讲述了人类不断寻找宜居系外行星的历程。

  什么样的行星是宜居的

  今年4月16日,美国国家航空航天局发射了一颗巡天卫星,名为TESS(凌日系外行星巡天卫星),它的主要目标是寻找更多的系外行星。

  为什么我们已经生活在地球这个安定的星球上,却仍然要去寻找适合人类居住的行星?因为人类不可能永远生活在这个摇篮中,我们要为未来做打算。

  那么,什么样的行星是宜居的?

  第一,类地行星,拥有固体表面。迄今为止我们所发现的行星,归纳起来可分为两类:类木行星和类地行星。如果行星的质量大于10个地球的质量,那它就会显著地吸收气体,形成类木行星;反之,小于10个地球质量的则多半是类地行星,因为它没有机会得到更多的气体。

  第二,存在液态水,且位于宜居带上。行星的宜居带必须与主星之间有一个合适的距离,而这个距离的远近取决于主星的大小。主星越小,与宜居带之间的距离就越近,辐射也就越强,人类在这样的星球上是没办法生存的。

  第三,主星辐射不能太强。地球之所以适合人类生存,是因为它远离太阳,且星球内部有液态核,形成一个磁场,从而保护了我们的生命。

  改造火星需一个阳光棚

  相比之下,我们的邻居火星就不那么幸运了,它虽然也处于太阳的宜居带,但是目前却没有生命。

  研究表明,火星以前可能是有生命的,后来由于某种原因,比如受到小行星的碰撞,把它的液态核撞没了。要知道,液核中很多是带电的离子,流动起来会产生磁场,没了它,保护大气的磁场也就消失了。所以,火星现在几乎没有大气,也就不适合人类居住。

  有人提出,我们能不能改造火星,使得它适合人类居住?这当然可以,但所需要的成本非常大。关于改造的方法,我想可能有两种。一种是“小改造”,就是搞个阳光棚,里面种点花花草草,这样人在那里至少可以生存了。另一种是“大改造”,就是搞个液态核,让它有磁场保护,这个难度就太大了。

  系外行星是怎样被发现的

  经过人类的不懈努力,终于在1995年发现了第一颗太阳系以外的行星。那么,如何探测系外行星呢?

  一种是视向速度法。行星是很暗的,根本看不见,怎么办呢?我们可以去看恒星。因为行星绕着恒星转,我们观测的那个恒星,它其实有个像身份证一样的东西——光谱。利用这个原理,我们就可以反推出恒星运动是不是受到某颗行星的影响。于是,第一个太阳系外行星就这样被探测出来。

  另一种是凌星法。凌星法是目前被广泛应用的系外行星观测方法。它的原理很简单,当行星正好从你的视线与恒星之间经过时,你认真观察恒星,就会发现它的光度发生了变化,而且这个变化是周期性的。当然,这个变化的大小取决于行星的大小。

  人类找到了多少个类地行星

  TESS、James Webb、开普勒……科学界发射的望远镜中,几乎有一半都在寻找系外行星。尤其是开普勒太空望远镜,在它短暂的“一生”中,发现了超过3000个系外行星,这是人类文明的一个重大进步。

  那么,迄今为止人类找到了多少个类地行星?

  大概有700到800颗。但如果我们只统计300光年以内的类地行星,就只有30颗;60光年以内的话,只剩下10颗。

  这10颗行星大部分都来自于一个叫Trappist-1的系统,我们中国称之为葫芦娃系统。遗憾的是,它们离我们依然太远。

  中国的巡天之路

  前面提到了很多国外的空间项目,那么我们中国有没有自己的探测系外行星的项目呢?

  我们课题组参与了南极的一个巡天项目。那里冰天雪地,气候寒冷干燥,条件非常艰苦,但这片大陆也拥有天文学家最喜欢的连续42天的极夜。

  由于冬季气温很低,最低可达到零下83℃,人在那里是没办法过冬的。所以,我们先在前一年的夏天派科考队过去,把望远镜放置并调试好后离开,让它工作一年,第二年夏天再去把数据带回来,或者通过卫星传输回来。

  通过这样的观测,我们在2014年发现了200余颗高置信度的系外行星候选体,成为世界上第一个在南极天区发现系外行星的科考团队。2017年,我们又在南极发现了最大批量的系外行星。

  除此之外,我们也在被称为“世界第三极”的西藏设立了天文台。位于海拔5100米的西藏阿里天文台已建成了一半,我们将在那里放置5个小望远镜,进行系外行星的搜寻,期待能收获好的结果。

编辑:迟语洋

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