宇宙深处的另一个世界:其他的”地球”和”太阳”

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很久很久之前,甚至在人类拥有文字之前,我们就曾是探险家。我们古老的祖先留下的那些永久遗迹,如丢弃的石器、熄灭的篝火和散落的化石骨头,遍布在地球各处。从非洲中部开始,到澳大利亚,再到安第斯山脉,最后遍布整个地球,他们的足迹表明:我们人类从未满足于在同一个地方逗留。

这种与生俱来的探索欲望,已经植入我们人类的基因里,从我们出生的那一刻就显现出来了。但只有当我们的视线飞越地平线时,我们的想象力才真正得到了释放,犹如天马行空。我们的祖先在仰望天空、凝视太阳和月亮时,创造了种种美妙的神话。我们把太阳想象成一辆由太阳神赫利俄斯(Helios)驾驶的火焰战车,月亮则是巨神泰坦(Titans)之女,她的妹妹是黎明女神伊俄斯(Eos)。纵观整个人类史,从古埃及到阿兹特克,再到古凯尔特,每一种文明都有着关于太阳和月亮的充满想象力的神话故事,描绘了我们仰望它们时所感受到的惊奇和庄严。

不过,彻底解放我们想象力的是夜空中那点点繁星。有人认为我们的世界被一个苍穹所包裹,那是一个围绕我们旋转着的巨大而复杂的穹顶。然而,无论如何努力想象,我们都难以领略那片真正的天空是多么错综复杂、桀骜不驯和浩瀚无垠。当伽利略利用当时最新发明的曲面抛光玻璃,在1610 年建造了第一台望远镜时,他一下子看到了人类虚弱的肉眼原本永远无法看到的景象。他惊讶地发现,月亮其实并不像他想象的那样平滑光亮,而实际上“凹凸不平、粗糙不堪,遍布低谷和高山”。他还惊奇地看到了木星的小卫星,以及土星周围奇妙而神秘的光环。伽利略就像一个蹒跚学步的婴儿,迈出了他了解宇宙的第一步。随着每一次新的发现,他的想象力都进一步升华,他的著作挑战了许多人的根本信仰。伽利略为我们的太阳系开启了一扇窗,通过它我们开始能够了解太阳系外的星系。

行星系统

探索的脚步一直未停,但直到几十年前,太阳系还是人类唯一略有所知的行星系统。今天,我们知道有成千上万个这样的系统,虽然它们仍只是宇宙中极小的一部分。正如太阳系一样,其他星系的恒星和围绕它们运行的行星都来自分子云。

银河系中有成百上千亿颗系外行星,据计算,大约100亿颗应该具有与地球相似的轨道特征,绕着像太阳一样的恒星旋转。因此,其中的一些或许孕育出了某种形式的生命。但是考虑到星际空间是如此广袤无垠,人类很难与他们有所接触或交流。即使有某种文明栖居在离我们最近的行星上,我们也要花几十年的时间来彼此传递信息。

银河系的恒星,以及围绕它们运行的行星,都源于相同的分子云。超新星爆发引起的冲击波可能是触发它们形成天体的原因。当冲击波到达时,分子云逐渐变得扁平,并提高旋转速度以保持角动量,分子云便随之产生。

分子云是原行星盘的种子,分子云围绕一个轴旋转,而尘埃粒子绕着分子云的质心旋转。数量如此庞大的粒子在运动时,碰撞在所难免。碰撞使分子云减速,同时它们相对于轨道面的角度也越来越小,于是粒子聚集到一起,最终形成一个圆盘。

吸积盘围绕着一颗年轻恒星旋转,将形成行星。距地球约60 光年的绘架座β 原行星盘,它的行星系统正处于一个类似于太阳系初生阶段的时期,有迹象表明有一颗巨大的行星正在围绕着它运行,而岩质行星和彗星正在圆盘中形成。

2017 年被发现的特拉比斯特-1 系统是距离地球约40 光年的行星系统是。特拉比斯特-1 是一颗红矮星,在小于水星和太阳之间的距离内,至少有7 颗行星围绕它运行。这颗恒星的体积很小,有3 颗行星位于该系统的宜居带内,并且它们的大小与地球相仿。

另一个世界

尽管人类直到20 世纪末才发现第一颗系外行星,但探测技术的进步使得我们至今已经发现数千颗围绕恒星旋转的天体。

没有人确切地知道其他行星上的生命是什么样子的,但有一件事是肯定的: 它必须遵守化学定律。

当溶解在液体中时,那些有可能转变成生命的分子更容易相互反应。由于水可以溶解非常多的化合物,因此它是形成生命的一个理想条件。鉴于这一原因,天文学家认为我们可能会在恒星所谓的宜居带或者是一颗表面温度允许液态水存在(0~100 摄氏度)的行星上发现生命。

宜居带是指恒星外可以允许液态水存在于行星表面的距离范围。1957年“太空医学之父”胡贝图斯·斯特拉格霍尔德第一次提出“宜居范围”的概念。直到1993年,詹姆斯·卡斯汀才通过给出比较详细模型以描述 “星周宜居带”( 或称“环恒星宜居带”)。近几年这个概念又有所发展,2000年,有几位科学家提出了“星系宜居带”的概念。2013年,还有科学家提出了“环行星宜居带”。

适宜的温度范围对于生命来说是必不可少的,既不能太热,也不能太冷。因为尽管有些物质在较高和较低的温度下能够变成液体,但许多有机分子在较热的环境中会失去它们的稳定性。此外,在非常寒冷的条件下,化学反应往往会减慢,这也使得生命难以形成。下图标示了大量的根据其在各自恒星宜居带中的位置进行划分的系外行星。所谓“超级地球”是指比地球大得多、但比海王星小得多的系外行星。

生命存在的最优区域

一颗行星上是否能产生生命,不仅取决于它在恒星系统中的位置,还取决于它在星系中的位置。

最近的研究表明,银河系有2000亿~4000亿颗恒星。虽然不是所有的恒星都有围绕它运行的轨道行星,但即使是最保守的估计也表明,在我们的星系中至少有1 亿颗这样的行星。不过,并不是所有的行星都具有潜在的宜居性。宜居与否取决于它们是否位于恒星的宜居带,以及行星系统在星系中的位置。科学家们认为,靠近银河系核球或球状星团的行星系统几乎没有可能形成生命,因为它们要承受强烈的辐射轰击,而且它们与潜在的超新星过于接近的位置将会抹杀掉所有生命存在的可能性。

下图显示了银河系从诞生到现在的状况,以及天体与星系核心的距离。在星系形成初期以及离中心非常近的地方,金属含量太少,超新星太多,这些都阻碍了行星的形成。另一方面,在离星系中心太远的地方不会有足够的重金属形成岩质行星。所以,最佳宜居带不可能在银河系的早期就存在,也不可能太靠近它的中心。

在银心附近,由于其极高的能量,生命不太可能形成,而在这个圆环以外,找到宜居行星的可能性也不大,因为那里比氦重的元素太过稀少。这张图勾勒了银河系的主要结构以及理论上的环状宜居带。环状的宜居带从距银心15 000 光年延伸至距其35 000 光年的地方。我们的太阳距离银心约27 000 光年。太阳系处于一个有利的位置,靠近这个区域的中心。

间接探测方法

直接观察太阳系外的行星是很困难的,所以我们不得不依靠间接的探测方法。

发现太阳系外的行星,即系外行星,是一项极其复杂的任务。它们自身微弱的光线几乎不可能穿越如此遥远的距离而被我们看到;它们的外形尺寸太小,很难被望远镜捕捉到;而且恒星的光线太强,遮蔽了所有环绕其运行的行星的痕迹。尽管如此,一些体积较大的年轻的系外行星亮度较大,这会令它们比较容易被发现。

系外行星是围绕恒星的小光点(以可见光或红外线的形式)。因此,直接观测的难度很高,科学家们通常不可能直接观测到它们的反射光或红外辐射。我们需要应用如下图所示的间接探测方法。

1。 凌星法

我们观察恒星的亮度,看它是否会变暗,因为这可能是一颗绕其轨道运行的行星遮挡住它的一部分的信号。

2。 视向速度

当光源向我们靠近时,它发出的光变得更蓝;反之,当光源远离我们时,它发出的光就变得更红。如果一颗恒星拥有环绕其运行的行星,我们可以通过光线的变化,获知恒星围绕系统质心的运动。

3。 微引力透镜

当一颗恒星从另一颗恒星前面经过时(从地球的角度来看),距离较近的恒星的引力会使较远恒星发出的光线变得弯曲并且提升它的亮度。如果这颗恒星有一颗行星,亮度上就会产生一个强烈的变化。

4。 天体测量学

当恒星离整个行星系统的质心足够远时,通过精确测量恒星位置的微小变化,我们便可以侦测到行星的存在。

值得一提的是,系外行星的轮廓无法被直接观测,但在光足够强的情况下,我们可以根据穿过行星大气层的、它所绕行的恒星发出的光了解行星的大小和大气。

1140b行星(左)和它的恒星想像图/ 法新社

140b行星(左)和它的恒星想像图/ 法新社

具有系外行星的恒星

探测系外行星是一项艰巨的任务,因此该领域偶尔会出现假阳性。尽管如此,在过去的几十年里,我们已经发现了数千个行星系统。

一颗系外行星在被发现之后,还要等待进一步的观测证实,才能正式跻身已知宇宙的一部分。近几十年来,人类发现了太阳系外的数千颗行星,但由仪器检测到的信号最终往往被证明是假阳性的。例如,一颗恒星暂时的亮度降低可能是由于其表面的一个简单变化或双星系统的日食现象。对格利泽667C(Gliese 667C)的观测就是一个典型的案例。过去人们认为这颗恒星有7 颗绕其轨道运行的行星,但后来的观测表明,其中5 颗实际上是测量过程中被记录下来的干扰信号。

即便如此,我们仍在发现附近的一些具有系外行星的恒星,如肉眼可见的巨蟹座55(55 Cancri)和大熊座47(47 Ursae Majoris)。

一般来说,系外行星会通过基于与太阳系中已知天体质量的比较结果,被划分为5 种类型。

除了质量、大小和轨道之外,我们很难获得更多关于系外行星的信息,但这些信息仍然可以告诉我们很多关于它们的特征。天文学家可以根据一颗系外行星的质量,推测它是像地球一样小的岩质行星,还是像木星一样大的气态巨行星。

按质量分类

虽然每个类型的边界并不清晰,但系外行星大体上可以根据它们的质量分为5 类:“类木行星”——质量最大的系外行星,大小类似于木星,甚至更大;“类海王行星”——与海王星大小相似的系外行星;“超级地球”——大于地球小于海王星的系外行星;“类地球”——与地球质量相近的系外行星;“亚地球”——质量小于地球的系外行星。

质量和成分

系外行星的性质可能因其组成而有很大差异。天文学家在将一颗行星划分为一种或另一种类型时要格外小心,尤其是那些质量介于超级地球和类海王行星之间的天体。

潜在的宜居行星

要评估系外行星是否具备生命存在的必要条件,我们需要掌握有关其成分、轨道,尤其是大气层的精确数据。

在我们发现的数千颗系外行星中,有一些与地球相似,可能适合居住。鉴于我们对它们的成分和大气层所知不多,我们通常根据它们是否属于岩质行星,以及其与中心恒星的距离是否允许有液态水在其表面存在,来评估它们的宜居性。然而,这两个因素并不能保证这些系外行星能提供对生命有利的环境。例如,金星位于宜居带,但其成分不利于生命形成,而一颗位于一个相当寒冷的区域的行星,却可能由于大气层的温室效应,达到较高的表面温度。科学家们认为,有相当数量的系外行星是适合居住的,但一旦我们测量它们的大气层,宜居的系外行星数目就会减少。

在可能存在生命条件的行星系统中,特拉比斯特-1(TRAPPIST-1)是特别有希望的一个,十分具有代表性。这个系统共有7 颗岩质行星,其中3 颗位于其恒星的宜居带上。不久以前,人们一度认为格利泽667C(Gliese 667C)系统有7 颗行星位于它的宜居带,但是进一步的探测把这个数字减少到了2 颗。开普勒62(Kepler-62)系统中有一颗行星位于其宜居带内。

地球和系外行星上的黄昏

在这幅艺术渲染图中,我们可以看到地球上的落日(图1)与存在生命的可能性很高的系外行星上的落日之间的对比。在格利泽667Cc(Gliese 667Cc,图2)和格利泽581d(Gliese 581d,图5)上,落日看上去似乎更红,这是因为二者围绕红矮星旋转。开普勒22b(Kepler-22b,图3)上的落日与地球上的落日相似,因为它绕行的恒星与我们太阳十分相似。至于系外行星HD 85512b 上(图4),尽管它所绕行的恒星是一颗温度更低的K 型矮星,但因为距离中心恒星最近,所以它的落日与其他几颗行星相比可能是最明亮的。

在这幅艺术渲染图中,我们可以看到地球上的落日(图1)与存在生命的可能性很高的系外行星上的落日之间的对比。在格利泽667Cc(Gliese 667Cc,图2)和格利泽581d(Gliese 581d,图5)上,落日看上去似乎更红,这是因为二者围绕红矮星旋转。开普勒22b(Kepler-22b,图3)上的落日与地球上的落日相似,因为它绕行的恒星与我们太阳十分相似。至于系外行星HD 85512b 上(图4),尽管它所绕行的恒星是一颗温度更低的K 型矮星,但因为距离中心恒星最近,所以它的落日与其他几颗行星相比可能是最明亮的。

相比太阳系中的行星而言,在特拉比斯特-1 系统中,行星之间的距离相当近。因此,如果你从其中一颗行星的表面向外看,其他行星看上去是我们在地球上看到的太阳的两倍大。

寻找地外生命

只有在另一颗行星上发现生物体或化石,是否存在地外生命这一迫切的科学问题才将获得最终的解答。但是,在我们能够访问其他行星系统之前,科学家只能用间接的方法来寻找宇宙他处的生命。生命往往会在其周围环境中留下痕迹,因此我们可以在行星的大气中开始着手寻找生命的踪迹。

如果能够在某行星大气层中寻找到表示有机体可能存在的某些化学失衡,或许这里就存在着生命的踪迹。我们可以通过分析系外行星的电磁波谱来推断其大气层的组成。氧和甲烷,以及氯甲烷和二甲基硫醚等化合物,均是存在生命可能性的重要线索。下图比较了地球以及火星和金星的发射光谱,前者的大气层中既有氧分子也有水分子。

但值得注意的是,化学失衡并不能作为决定性证据。一颗惰性行星迟早会在其大气层中达到化学失衡,像氧这样的非常活跃的元素会与其他物质结合,直到它们被耗尽。也就是说,当一颗系外行星上存在大量的氧气时,它也可能是简单的化学反应的产物,而不是由于有生命存在。

地球是我们身边唾手可得的绝佳样本。地球上的有机体展示了生命如何适应各种各样的环境,甚至是非常极端的环境。黄石国家公园大棱镜温泉中的微生物,可以在温度高达70 摄氏度的环境里生活。一些细菌可以在高剂量的辐射环境或真空环境中生存。下表列出了地球上生物体能够生存的极端条件,这或许就代表着地球上的生命极限。

寻找新的地球

1989 年,人类发现HD 114762b,它是第一颗被发现的系外行星,但直到3 年后才被确认。1995 年10 月6 日,瑞士日内瓦大学教授米歇尔·麦耶(MichelMayor)和日内瓦大学、剑桥大学教授迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)发现了一颗系外巨行星。这颗比地球大得多的行星围绕着50 光年之外的小恒星飞马座51 运行。这颗系外巨行星围绕飞马座51(飞马座中一颗类似太阳的恒星)运行,被命名为飞马座51b。科学家认为它的质量大约是木星的一半。这两位科学家因此在2019 年获得了诺贝尔物理学奖这一殊荣。随着这颗系外巨行星被发现,为人类打开了一扇通往太阳系外世界的窗户,对系外行星的搜寻开始升温。

系外行星飞马座51b 的质量至少是木星的一半,体积可能与太阳系中的巨行星相似,甚至更大。

自从发现第一颗系外行星以来,科学家们一直在四处寻找有可能存在生命的星球。

在关于系外行星的研究与观测中,“蓝色巨星”HD189733b是绕不过去的一部分。 HD189733b 是被研究得最多的巨行星之一,也是目前已知的最大的系外行星之一,它的质量略大于木星,离其中心恒星较近。它于2005 年首次被观测到,当时它正从它的中心恒星前面经过。HD189733b 不是一颗普通的气态巨行星,因为它的质量比木星大13%,而距离它的中心恒星只有450 万千米。HD189733b的运行速度为152 千米每秒,因此轨道周期只有2.2 天。HD189733b 以及另外一些类木行星与它们的中心恒星相当接近(相比之下,地球距离太阳1.5 亿千米),这使得科学家们重新审视了行星形成理论。在HD189733b 之前,科学界的共识是,气态巨行星是在远离恒星的地方形成的,那里的低温导致了环绕着岩石内核的大量气体的压缩。

只有两种理论可以解释HD189733b以及其他气态巨行星绕着它们的中心恒星近距离运行。这些气态巨行星要么形成于距中心恒星非常近的地方,这与最初的行星形成理论相悖;要么形成于较远的地方,但随着时间向着中心恒星迁移。目前,第二种理论更为人们所接受。

此后,2007 年,斯皮策空间望远镜又在HD189733b 的大气中探测到水蒸气,一年后哈勃空间望远镜再次证实了这一点。当系外行星从其中心恒星前面经过,即“凌星”时,行星的外层大气会过滤中心恒星的光线,从而影响恒星光谱,通过分析光谱数据便可得知行星大气的成分。天文学家们注意到,如果透过红外滤光片观察,HD189733b 在每一个波段都会以不同的程度吸收光。这种现象只能用某一种分子的存在来解释:水分子。

但水并不是这颗巨行星呈现浓烈的蓝色的最主要原因。通过测量HD189733b 从其中心恒星后面经过时的光线,科学家们认定HD189733b是人类发现的第一颗具有生命颜色的系外行星。他们推断,它的大气中含有微小的硅酸盐颗粒,呼啸的风将它们四处散播。这颗行星的钴蓝色源于如雨点般飘落的玻璃体,以及散射蓝光的雾一般的云层。

科学家们还尝试勾勒出了HD189733b的大气温度分布情况。鉴于HD189733b 的体积, 以及它距我们只有63.4 光年这一事实,相比其他的系外天体,天文学家可以了解到有关HD189733b 大气的更多细节。他们通过连续33 小时的观测确定了这颗行星的大气层温度剖面,绘制了第一幅系外行星的大气地图。图中显示了大气的温度变化,较浅的颜色对应温度较高的区域。

HD 189733b 与它的中心恒星被潮汐锁定,这意味着这颗系外行星永远只向它的中心恒星显示自己的一面。持续暴露在恒星照射下的那一面的表面温度介于700 摄氏度和940 摄氏度之间,而上层大气的温度则可以达到数千摄氏度。这两面的温差意味着大气层风速高达8 700 千米每小时。  

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