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寻找第二个地球

  ■提要

  在茫茫的宇宙当中寻找类似地球这样适合生命繁衍的行星是十分艰难的,科学技术的进步和人类不屈不挠的精神使得我们正在不断地接近这个目标,但是即使找到了这样的星球,最近也是离我们几个光年,少数去几个人可能,要把地球上几十亿人都搬过去是不太可能的。所以有幸生活在地球上的人们,应当共同担负起保护地球的神圣责任,让宇宙中人类这个高贵的物种多延续几代。

  ■主办:北京市科学技术协会

  ■协办:北京科普发展中心嘉星一族、首都图书馆

  ■时间:2011年12月

  ■地点:首都图书馆

  ■主题:寻找第二个地球

  ■主讲人:陈建生(天文物理学家、中国科学院院士、中科院国家天文台研究员)

  ■开普勒-22b能成为第二个地球吗?

  2011年12月,美国宇航局所属的开普勒空间望远镜确认了一颗行星,它位于所谓的“可居住带”中,并且围绕一颗和我们的太阳非常相似的恒星公转。这颗系外行星被命名为开普勒-22b(Kepler-22b)。那么这就引起了“第二个地球”的问题,这颗22b也能适合人类生存吗?

  在这个问题上,到2011年2月为止,科学家共发现了54颗位于可居住带的系外行星候选体,22b是首颗得到确认的。但是寻找第二个地球,这件事情并不是那么简单,实际上人类离真正找到第二个地球,路程还非常遥远。22b会不会成为第二个地球,还有很多未知数。

  大家知道宇宙当中有几千亿个银河系,每一个银河系差不多有一千亿个太阳,把这两个数乘在一起,宇宙当中大概会有十的二十三次方个“太阳”。像太阳这样会发光的恒星,我们所居住的银河系里面大概就有两千亿个。太阳并不在银河系的中心,而是在从中心到边缘三分之一的地方,并不是一个很耀眼的位置。

  假如说我们能够跑到银河系比较遥远的一个恒星上来看太阳的话,实际上太阳系也就消失在茫茫繁星之中,是一个很不起眼的点;如果我们的飞船很靠近土星,回过头来拍地球,看到的地球只是一个光点;那么要是从月亮上来看地球呢?它就像我们从地球上看月亮那样大了。地球虽然在茫茫宇宙当中是并不起眼的一个星球,但是上面却存在非常美丽的家园,繁花似锦,绿树成荫,还有我们人造的文明。

  既然说22b很像地球,我们就先来看看,地球究竟是什么样一个星球?为什么在地球上适合生命的繁衍?然后我们回过来再来看22b是不是具备这些条件。

  ■为什么地球适合生命繁衍?

  第一个判据就是可居住带。就是这个行星和它自己的母星(恒星),在一个非常合适的距离上,太近就太热,太远就太冷,那么不近不远的地方最适合生命繁衍。你看,太阳有九大行星(当然冥王星后来被降格为矮行星,不再是大行星了),最里头是水星,而火星又远了一点,地球刚好处在这样一个温度合适的地带,就可居住。

  除了距离合适以外,地球还有合适的质量。地球的质量如果比现在小,像火星那样,它的引力就不够大,就不可能吸引住一个比较合适的大气,所以火星上基本没有大气,因为大气里面的分子都逃逸掉了。一个没有大气的行星是很难有生命的,首先白天太阳会直接照射到表面,温度非常高而且紫外线非常强,没有大气的话就没法阻挡一些高能粒子对它表面上的生命进行轰击;到了夜晚,由于没有大气,产生温室效应,散热又散得太快,变得非常冷。

  地球绕太阳的公转轨道,几乎是圆轨道,地球绕太阳转一圈,离太阳最近、最远的两个点的距离只差1%,这就使得地球差不多是整个轨道周期上都在可居住带。假如这是个非常椭圆的轨道,有些地方离太阳非常远,有些非常近,那么在绕日一周的轨道周期当中,就不可能每一个点都在可居住带上,也就是说不可能时常保持一个很合适的温度。地球上温度比较稳定,就是圆轨道造成的。

  另外地球有自转。地球的自转周期是很好的,24小时转一圈,使得东西两半球都有机会被太阳晒着,温度不会差太多。要是没有这个自转的话,地球就是个阴阳球,对着太阳那一面非常热,背着太阳那一面非常冷。

  地球还有个很合适的轨道倾角。就是说地球的自转轴跟地球绕太阳的公转轴之间有一个夹角,差不多二十三度多一点,我们叫它黄赤交角。这个是什么意思呢?就是地球有半年的时间太阳是处在北半球,另外半年时间在南半球。有些行星的交角,比方说天王星有97度,就没有这种好条件了。

  地球还有合适的密度。地球是一个岩石型的行星,而木星是一个气体型的行星。地球的平均密度是五克左右每立方厘米,这个密度差不多是岩石的两倍,人可以行走,可以盖房子,修铁路。而木星的密度是0.69克,比水的密度还低,所以你不可能设想在木星上盖房子,人也站不住。

  另外,地球有磁场。指南针发明出来,可以指向,但磁场不仅是用来指向的。太阳虽然会送来光和热,但是它也发出一些高能粒子。大家知道,高能粒子对身体是有伤害的,你不能够天天去照X光,而比X射线厉害得多得多的射线有的是,比如说伽马射线,还有一些能量很大很高的粒子,如果轰炸到地球上来,那么生命是很难活下去的。那么靠什么来保护我们呢?磁场。来自宇宙的高能的带电粒子进了磁场以后就会被它拽住,这样它就进不了大气圈了,它就在地球上空的电离层里面打转,所以地球磁场是我们的保护层。

  ■为什么它们是地球的幸运星?

  谈完地球,我们再谈谈它的母恒星,就是太阳。

  很幸运我们的太阳每天照耀地球,它的质量也是不大不小,发出的热量不大也不小,上帝造物就造得这么灵巧。大概是在135亿年以前宇宙开始大爆炸,然后就慢慢演化,大概到了最后的五亿年才开始有生命的繁衍,也就是说,太阳诞生四十五亿年,基本上没有生命活动,是最后五亿年生命活动才开始。从原初生命演化到今天的人类,也差不多花了五亿年时间。我们今天是很幸运地生活在这样一个质量刚好的太阳周围。

  要想使地球永远处在可居住带的温度,除了我刚才讲的,还有一条很重要的原因,就是给你光照的那个太阳它不能乱变。如果它一会儿热一会儿冷,那么尽管还是这个距离,地球上的温度也照样会发生剧烈的变化。而像太阳这种温度不变的恒星实际上不多,大概至少有一半的恒星,温度是经常变化的,而且变得非常激烈。还有,没有另外的恒星跟太阳在一起,它只有行星,所以叫做单星系统。在宇宙当中,单星大概也只占一半,有50%的恒星是双星系统甚至三星系统、四星系统。如果太阳不是单星而是双星的话,它就会严重地影响绕着它公转的一些行星的轨道,如果地球的轨道发生很大的变化,它就不可能永远地处在一个所谓的可居住带。

  地球还有一个很好的邻居叫木星,它的质量非常大,大概是地球的三百倍,所以外面有什么有害的东西要想来访问地球,首先要过木星这一关,比如说粒子硬是打进来,如果没有木星挡一下,就跟踢足球没有守门员一样,球一下就踢到你的门里去了。

  另外还有月亮对地球的作用。月亮有潮汐力,它起到一个搅拌器的作用,使潮水在整个地球里面晃来晃去,所以海洋里的养分都非常的均匀。

  ■为什么找不到像地球一样的行星?

  我们人类为什么能够在地球这样一个美丽的家园里面生存繁衍?它确实给我们一个非常好的生活环境。可是宇宙当中有十的二十三次方个太阳,所以人类就会想,尽管地球这么完美,难道就没有第二个地球吗?所以人类就踏上了寻找第二个地球的历程,希望找到自己的邻居,那么我讲一讲人类寻找自己邻居的活动。

  形象地说,我们向外星发过名片,打过电报,也收听过广播,结果这些手段到目前为止可以说没有任何结果。那么经过这样一个历程之后,科学家想,我们可能要更加脚踏实地地来做这件事情。怎么办呢?我们知道,如果有地外生命,那一定是发生在行星上,而不会发生在恒星上,所以第一件事情就是应该去寻找太阳系以外,别的恒星有没有像地球一样的行星,就是寻找太阳系外的类地行星,开普勒-22b现在被认为是最像地球的一颗行星了。

  寻找太阳系外的类地行星,实际上也就最近二十年的事情。第一次发生在1995年,一个瑞士的天文学家小组在天鹅座发现了一颗星,距离我们48光年,邵逸夫天文学奖就奖给了发现这颗星的两个科学家,瑞士的天文学家米歇尔·麦耶尔、美国加州大学伯克利分校的杰弗里·马西。

  自从有了第一个发现,后面的就很容易了,不断有报告,又发现了太阳系以外别的恒星系统有行星。但是,把这些发现考察一下就发现,没有一个像我们的地球,它们更像什么?更像木星。体积很大,质量很大,找不到像地球这样一个大小的行星。那么这是不是意味着宇宙当中,除了地球以外其他的行星都是像木星那样呢?答案是——可能这个跟观测的手段有关系。在遥远的地方发现一个行星,总是个头大的容易发现,找不到像地球这样质量的行星,不意味着宇宙当中没有这样的行星,而是你现在的探测手段还不够先进。

  ■寻找系外行星有什么方法?

  我给大家介绍一下现在我们寻找系外行星的一些最常用的方法。

  一种办法是直接去找太阳系以外的地球,但是这个太困难了。为什么呢?

  第一个困难地球跟太阳离得太近了。它们之间的距离是一亿五千万公里,看上去很大,可是如果你把它摆到一百光年那么远的地方,那么这两个之间的角距离(由一定点到两物体之间所量度的夹角)就非常小了。像地球跟太阳这样的一对天体,把它放到天狼星那么远的地方,它们之间张角只有0.35角秒,如果放到天津四(天鹅座α星,已知的最明亮的恒星之一)那么远,那张角只有千分之一角秒了,挨得太近。一角秒是什么概念呢?我们说两个天体一个角秒,就相当于你把一颗芝麻放到200米远的地方,你看这颗芝麻就是一个角秒,非常小。

  第二个困难,地球跟太阳亮度差得很大,差了大概一千亿倍,然后挨得又那么近。你怎么看得见它?在很亮很亮的恒星周围,用望远镜直接去找这么个离它很近,像地球一样的东西,当然是非常非常困难。

  第三个困难呢?除了太近、反差太大,另外还太暗,用星等的概念,差不多是叫三十等。你们看天上的星星不用任何望远镜,肉眼可以看到的是六等星,星等数每增加1,大约暗了2.5倍,那么三十等星差不多是十的十次方,直接的办法不能看,所以现在只能找间接的办法。

  间接的方法就是说,我不是去直接看它的行星,而是看它的母星。比如说把太阳跟地球放在100光年远的地方,我不是去直接看地球,而是去观测太阳,看看太阳会发生什么变化,通过这个变化来推测它边上有个地球。有些什么间接方法呢?

  因为恒星跟它的行星都是绕着一个公共的质量中心在转,这个质量中心的位置跟恒星的中心位置挨得非常近,但不是完全等同的,所以看上去就是地球绕着太阳转。所以如果你去观测这个恒星的话,它在天上不是不动的,是在转圈,只是圈的半径很小。也就是说,由于有行星的存在,恒星会晃动。

  还有一个办法,在这个晃动过程当中,光会时而朝着我们过来,时而远离我们而去。在物理上有个原理,当光朝着我们飞来的时候,颜色会变蓝,离我们远去的时候,颜色会变红,这个叫做多普勒效应。一会儿变蓝颜色,一会儿变红颜色,那么通过测量颜色的变化,可以算它的速度,通过算速度,就可以解出来它上面有没有行星。1995年发现了第一颗太阳系外的行星,就是用这种方法发现的。

  第三种办法是遮挡。如果有一个地球绕着太阳转,它时而会从太阳前面走过去,时而会从背面转过去,当从前面走过去的时候,太阳光就会有凹坑,相当于日食月食,这个坑的大小就跟这个行星的大小有关系。行星越大,这个坑就越深,行星越小,坑就越浅。

  ■为什么“开普勒”能发现类地行星?

  间接方法的寻找类地行星,虽然比直接方法容易一点,但也是非常困难。首先就是我们刚才讲的,母星和行星是绕着公共质心在转,那么这个质心是跟质量成反比,晃动量跟距离成反比。假如地球跟太阳的质量差三十万倍,就意味着太阳在天空当中,由于地球的存在绕着中心晃动的半径,是地球绕太阳半径的三十万分之一,这样一个距离,如果你把它摆到天狼星那么远,它晃动的角度大小只有百万分之一角秒。这是什么概念呢?相当于从地球上去看,有一个人在月球上拿一枚硬币,这个硬币是边朝着你的,从硬币的正面转到硬币的反面,对地球的张角就是百万分之一角秒。这么微小的晃动,要能够探测出来,在技术上不是很容易的事情。

  其他困难也很多,再特别讲一讲遮挡。如果绕着太阳这种恒星转的,是一个木星那样个头比较大的行星,它把恒星的光挡掉多少呢?挡掉1%。它从前面走过去,太阳光路会暗1%,如果是像地球这么小的行星,那么挡光只挡了万分之一。

  所以寻找地外行星是个非常高技术的活动,可以说需要用到当今人类技术发展最尖端的部分。现在讲一讲“开普勒”计划。2009年,美国宇航局发射了第一个专门用于寻找类地行星的空间望远镜——“开普勒”(Kepler)。为什么“开普勒”能够发现22b这颗星?用的方法就是我刚才讲的第三种间接方法,去测当一个行星经过它的恒星前面的时候,会挡掉多少光。如果要测地球这样大小的东西,挡掉的光是万分之一,怎么样把万分之一光的变换测出来?这就是“开普勒”设计的时候要解决的一个问题。

  我们知道,没有一个光源发出来的光是不变化的,我们用噪声来统计这种变化。用光子来说,它平均每秒钟发出一百个光子,但它不是每时每刻都有一百个光子出来,一会儿多一会儿少,这就是噪声。它一会儿会发出来九十个光子,一会儿发出来一百一十个光子,本身就有起伏。十个光子跟一百个光子之比是十分之一。你现在想去测万分之一起伏的东西,而光本身起伏是在十分之一,这样万分之一的变化早就被淹没了,所以第一件事情要解决的就是,测到的光本身的起伏要小于万分之一。那怎么办呢?就要接收大量的光子。那么计算一下,要能接收多达一亿个光子,才能使那种起伏被检测出来后不会淹没在统计噪声里头。这就是“开普勒”设计的第一个困难:怎么样去把星体的十的八次方的光子收过来?

  那么“开普勒”么解决这个问题的?第一,光源要足够亮。很暗的光源不可能提供这么多光子,所以这个望远镜只观测比十二等星要亮的星,暗星我不观测,亮于十二等星才有可能提供这么多光子。第二个,望远镜的口径要足够大。所以就用口径将近一米的望远镜,用非常灵敏的CCD做探测器,把光学影像转为数字信号,还有一些其他的尖端技术,才有可能消除噪声,把万分之一的变化检测出来。

  ■人类会在200年内灭亡吗?

  一般来说现在我们要去想寻找有生命的行星分这么几个步骤:

  第一步,要找到太阳系以外的行星,然后你要看到它的质量、温度、密度是不是合适。然后还要去测它有没有大气。有了大气以后还要去测它有没有生命。目前为止有什么办法去判断它有没有生命呢?那就看大气里面的分子了,比如大气里面有没有水分子,有没有像甲烷这种东西。为什么要测甲烷呢?因为如果有生命的话,它有排泄物,排泄物里面就有这个甲烷,那就说明它上面有生命活动,有新陈代谢,有排泄粪便。还有二氧化碳,这些都是生命活动当中会产生出来的东西。完成这么多步骤谈何容易!

  要有氧,要有臭氧,要有甲烷,要有水,就是这些分子在地球里面起生命作用的。可以比较一下大气情况,地球大气跟火星大气、跟金星大气都不一样,所以观测行星的大气的时候,要能够测到这些分子带,才有可能来说明上面有没有生命。

  在茫茫的宇宙当中寻找类似地球这样适合生命繁衍的行星是十分艰难的,科学技术的进步和人类不屈不挠的精神使得我们正在不断地接近这个目标,但是即使找到了这样的星球,最近也是离我们几个光年,要迁移地球上的人类几乎不可能,少数去几个人可能,要把地球上几十亿人都搬过去是不太可能的。所以有幸生活在地球上的世世代代的臣民们,应当共同担负起保护地球的神圣责任,让宇宙中人类这个高贵的物种多延续几代。人类科学和技术的进步把地球资源转变为今天的文明,与此同时也在不断消耗地球的资源,所以人口的增长以及科技发展,像汽车、飞机、冰箱、空调等等,大幅地加速了人类消耗地球资源和排放废品废气,所以人类的毁灭不是天文的原因,不是因为太阳死掉而是人类自己毁灭自己。

  著名物理学家霍金预言,地球上人类会在200年内毁灭,这个不是耸人听闻。美国广播网采访霍金,他认为人类要想延续就要迁到别的星球去,我的感觉是不太可能。2009年美国广播公司制作过一部科学片,叫《地球2100》,这个科教片里面假想一个出生在2009年的小女孩到了2100年,目睹了地球上的人类如果不改变自己的生活方式,在未来九十年内如何毁灭自己,很值得大家看一看。

  谢谢!

  (本文根据录音整理,未经主讲人审定)


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