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2外星探索
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2023.12.27 上海

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​此时此刻,在一个非常遥远的行星上,奇特的日出预示了新一天的开始。那么是否也有外星物种会看到这一幕?或者根本无人问津。这只是消失在浩瀚宇宙中的一个短暂瞬间。我们的求索之旅仍在继续。

银河系拥有数以亿计的恒星,这些恒星散布在十万光年的空间中。其中就包括我们的恒星太阳。八颗行星围绕着太阳运行,我们的地球家园就是其中之一。直到不久前,这些还一直是我们所知道的全部世界,我们也一直期盼在其他七颗行星上发现地外生命的迹象。

在20世纪70年代,人类对太阳系以外的行星还一无所知,即便它们存在,我们也没有可以探测它们的技术,与地球相邻的行星是我们唯一可以寻找生命的地方。

于是对生命的探索就从我们的后院开始了。在过去几十年里,我们对太阳系几大行星进行了多项探索任务。甚至也探索了它们的一些卫星。直到今天,虽然我们的观测仍在继续进行,但是我们并没有在这些行星上找到令人信服的生命迹象。地球依然是独一无二的,是太阳周围唯一存在生命的行星。

不过随着对太阳系探索的继续,另一项任务也得以开展,目的是探索太阳系之外的行星。

天文学之所以美妙,是因为随着科学技术的发展和宇宙相关知识的积累,面对天空中的点点星光,我们就能够确认出更多的行星。

这是很久以前我们就已经知道的行星,这就是火星。就在火星的上方,我们还能够看到一个名为飞马座的星座,这就是飞马座的正方形,我们现在知道大概是在这个位置是飞马座51,这颗恒星有一颗围绕它运行的行星,一颗体积和木星差不多大小的气态巨行星,它围绕飞马座51运行的周期是四个地球日。很难想象在25年里,我们对宇宙的认识已经从对太阳系以外的行星一无所知,到认识到宇宙中充满了数量众多,可能存在生命的行星。

在过去的30年里,地球上建设的一些功能强大的望远镜也加入了寻找的行列,探测茫茫夜空中遥远的行星。

比如飞马座51b,这是我们在太阳系之外发现的第一颗绕类太阳恒星运行的行星。飞马座51b是一颗气态巨行星,质量约为木星质量的一杯,但是它与宿主恒星的距离却要近得多。

想象一下,那会是一个怎样的世界,大气被飓风撕裂成碎块,炽热的内部则沐浴在蓝宝石雨中。无论从哪个角度来看,飞马座51b都是一个光怪陆离的世界。

我们很快发现银河系中充满了与太阳系的八大行星完全不同的行星。它们有的被强烈的辐射包围,有的表面被宿主恒星的高能频闪光芒笼罩,有的极其寒冷以至于大气层都被冻结成了固体,有的是巨大的膨胀行星,它们有着泡沫塑料般的密度,以及深不可测的大气层。

这些发现证明从某种意义上来说,我们并不孤单,的确有其他行星世界等待着我们去发现。我们估计银河系中的行星要多于恒星,行星数量可达数千亿。所以我们可以在上千亿个世界中寻找生命,但是这存在一个问题,因为大部分行星都和我们生活的地球非常不同。

我们最早发现的这批行星似乎过于怪异,体积太大,而且通常距离它们的恒星又太近,所以并不适合生命生存。

为了找到可能存在生命的世界,我们必须在距离恒星更远的轨道上寻找较小的岩质行星,我们需要寻找另一个地球。

德尔塔二号运载火箭升空了,它搭载的是旨在寻找类地行星的开普勒太空望远镜,于是随着美国国家航空航天局开普勒太空望远镜发射升空,我们对类地行星的寻找也转移到了太空。人类开始在银河系以外寻找类地行星。

开普勒太空望远镜飞行了约1.5亿公里,并最终进入了一个绕日运行的稳定轨道,在这里它把高精度的主镜专门对准了天鹅座内的一块天区。它将高度灵敏的光度计暴露在15万颗恒星的照射之下,开始了对类地行星的搜索。

开普勒太空望远镜并不直接探测行星,因为它们太小了。相较于宿主恒星而言,行星就如同尘埃,而且它们的亮度很微弱,行星本身并不发光,只能反射宿主恒星的光,因此非常暗淡,所以望远镜去了,只能间接的探测到行星。

可以想象一下,一只飞蛾从灯塔的灯光前面飞过,虽然我看不到飞蛾,可如果我的探测器足够灵敏,并且三者位于一条直线上,我后续就能看到灯光亮度的减弱,这就是开普勒太空望远镜探测行星的原理。可以想象在某个遥远的恒星系统里,外星天文学家正在观测我们的太阳,当一切都处在一条直线上时,他们就能看到地球在太阳表面缓缓的掠过,他们会看到太阳的亮度减弱了万分之一,尽管这种变化很微弱,但已经足够了,如果他们发现这种变化存在规律,比如说发现这种变化每年发生一次,他们就可以推断出有一颗行星正在围绕着这颗恒星运行。

借助高度灵敏的光度计,开普勒太空望远镜只能观测到光电微弱而规律的变化。虽然只有很少的信息,但是利用这些信息,天文学家就可以构建出那些使恒星亮度变暗的行星的面貌。

这些行星或许在某些方面和我们的地球相似。比如开普勒36b就是开普勒太空望远镜最早发现的行星之一。开普勒36b围绕着一颗类似于太阳的恒星运行,我们会发现这个世界乍看起来非常熟悉。它的质量又是地球的四倍,开普勒36b是最早发现的新一类行星——超级类地行星之一。

利用开普勒太空望远镜得到的数据,我们不仅能够推测出恒星周围所存在的行星,我们还能对这些行星的特征进行描述,通过分析恒星亮度的明暗变化以及这种变化持续的时间,我们就可以测量行星运行的轨道了,如果这一系统中存在多颗行星,我们甚至可以估算出其质量,所以借助开普勒数据,天文学家可以对它发现的行星世界进行描绘。

然而对开普勒36b的描述越详细,这颗超级类地行星看起来就越不像地球。它的轨道和恒星的距离非常接近,环绕一周仅需14天,而且它还有同伴,一颗巨大的气态姊妹行星,而且这两颗行星的轨道也尤为接近。因为接近恒星和姊妹行星,所以我们可以想象一下,开普勒36b的表面可能存在的奇异条件。

开普勒36b可能处于潮汐锁定状态,所以它的一个半球总是面对着宿主恒星。在靠近恒星的一侧,极度的高温可能会使地面熔化,从而在其表面创造出纵横交错的熔岩河流。开普勒36b或许还会经历猛烈的火山喷发,因为每当它经过气态巨行星时,对方的引力作用都会导致剧烈的火山活动。然而开普勒36b也可能是一颗冰冻行星,因为如果它被潮汐锁定,那么它的另一个半球将永远背对宿主恒星,我们可以想象一个永远被黑暗笼罩的冰冷半球。

虽然目前这些都只是有根据的猜想,不过我们已经开始构建这些行星世界的面貌,想象一下,在这样一颗行星上,太阳永远停留在天空中的同一个点,所以行星的一半是永恒的黑夜,另一半则是永恒的白昼,我们认为甚至连白昼地区和黑夜地区之间的曙暮带,也存在非常极端的自然条件。

因此,开普勒36b表明,一个宜居世界所要求的不仅仅是行星的地质构成,它的轨道情况以及和它一起环绕恒星运行的其他天体的性质也是具有决定性作用的。

开普勒36b只是开普勒太空望远镜发现的数千颗行星之一。我们现在可以确定的是,在银河系中存在着众多异星世界。

在我们迄今为止发现的4000多颗行星中,每一颗都与其他行星不同,它们真是一群怪异的家伙,而且没有哪一颗和我们所知的太阳系中的行星完全相同。

这揭示了宇宙的深层真相,虽然形成行星的自然法则非常的简单,并且适用于任何的地方,而且构成行星的基本成分也很简单,也同样适用于任何地方,不过行星的性质也要取决于它的形成历史以及宿主恒星周围形成行星的环境条件,而这些因素都不尽相同,所以每颗行星都有着不同的情况,从这个意义上来说,行星就像是我们人类一样。这一出人意料同时又令人激动的发现,无疑使我们对生命的探索变得更加复杂。

我们必须缩小范围,搜索那些距离宿主恒星稍远,但又不是过于遥远的行星,只有位于恰当的距离区间,行星的表面才有可能适合生命存活,其上才有可能存在一种珍贵的物质,也正是它让地球生机盎然。

你可能会提出一个合理的疑问,能不能把我们在地球上掌握的所有关于生命的知识应用到宇宙中其他的行星上呢?我肯定会回答,是的,我们可以,因为自然法则是普遍适用的,所以在这颗星球上支撑生物学的物理和化学规律,同样适用于宇宙中的每一颗行星,无论是我们已经发现的,还是尚待发现的,生命的存在离不开一些基本的化学成分,碳氮氧铁,同时还需要依靠行星内部的热量或者恒星的光照来提供高质量的稳定能量。

不过地球上的生命还需要一种非常重要的基本物质,那就是液态水。液态水是一种看起来非常复杂的物质,它是一种非常强大的溶剂,不过它也能在形态结构上产生一些变化,这可以为生命提供依附发展的支架。有机分子则可以在这种支架的引导下聚集并且发生反应。我们现在可以肯定的是,地球上每一种生命的生长都离不开液态水,所以我们不妨推测宇宙中任何地方的任何生物同样都需要液态水。

宇宙中充满了水,我们在银河系中发现了大量的水,它们存在于巨大的气态星云中。然而水储量巨大却并不意味着它们一定会在行星的表面以海洋的形式存在。在太阳系的八大行星中,只有一颗行星的表面存在不断流动的液态水,这是一个早已有生命生存繁衍的海洋世界。

大约40亿年前,地球上的生命或许就是在类似这样的地方出现的,那里会发生地热活动,高度密集的活性化学元素以及矿物质可以获取地热活动提供的能量,不过同样重要的还有这个神奇的溶剂——液态水。银河系中的许多岩质行星可能存在这种地质条件,不过我们认为只有为数不多的行星表面存在着大量的液态水,所以天体生物学界流行着这样一句话,要想找到外星生命就必须先找到液态水。

当地球上的生命进行着不断的演化时,约124光年之外,在一片由气体、尘埃和冰构成的坍缩星云中,一颗小恒星诞生了。星云中旋转的残余物质,则聚集形成了一个全新的世界。

2015年开普勒太空望远镜发现了在这颗小恒星宜居带上运行的行星。k2-18b的质量大约是地球的八倍,这是一颗巨大的行星。它具备强大的引力作用。如果这颗行星是岩质行星,它就有可能吸附了厚厚的大气层,K2-18b可能满足形成水世界的所有条件。

而另一台充满传奇色彩的太空望远镜也将开普勒望远镜所发现的新行星纳入视野,史上功能最强大的太空望远镜加入了探测。当k2-18b从前方经过宿主恒星时,哈勃对恒星光谱进行了探测,并发现了一个微弱的迹象——水蒸气。在距离地球124光年之外的地方,我们或许最终发现了这个异星世界存在液态水的证据。

在恒星宜居带上的系外行星的大气层中,我们首次探测到了水蒸气,当然由于测量误差较大,目前只能确认其水蒸气含量在0.01%~50%之间,毕竟这颗行星十分的遥远,不过我们可以参照的是地球大气中的水蒸气含量为百分之几。

这项发现之所以重要有2点原因,首先探测结果不是零,说明它的大气中存在着水蒸气,其次,如果测得的水平较低,比如大气中的水蒸气为百分之几,那么它就可能和我们的地球是一样的,是一个表面存在海洋的行星。

这颗行星的性质在科学界引起了激烈的辩论。这颗行星可能更像是一颗小型海王星,是一颗气态行星,不过它也可能是一个表面被岩石覆盖天空乌云密布的外星世界。水滴在空中聚集并最终落下,形成浩瀚的海洋,覆盖这颗巨大行星的表面,一个水世界。这里充满了孕育生命的液态水。

K2-18b之所以令人激动,是因为它是我们所发现的拥有大气层的最小的系外行星,它的质量、密度、大气组成以及它的轨道都表明这颗行星上可能存在着水。它还可能是一颗表面存在海洋的行星,虽然我们还不能确定,不过可以想象一下,围绕一颗淡红色恒星运行的遥远行星上会是什么景象。

开普勒太空望远镜继续着它的发现之旅,直到2018年10月燃料耗尽。经过9年的观测,它发现了超过2500个行星世界,向我们证明了类地行星在银河系中是普遍存在的。

我们估计银河系中大约存在着200亿颗类地行星,它们处在宿主恒星宜居带上,岩质表面上的可能存在有液态水,这就相当于200亿个可能存在生命的世界。

我们不知道在合适的条件下,行星上发展出生命的几率有多大,不过根据从地球上得到的一些证据,我们知道当地球形成并冷却下来,同时海洋在其表面形成之后,生命便开始出现了。这或许意味着在条件合适的时候,生命虽然不一定会出现,但至少存在着生命出现的可能性,所以我认为在银河系大约200亿颗类地行星里面,有的可能已经出现了生命,至少存在这种可能性。

但是关于生命我认为存在两个问题,一个是生命的起源以及是否存在微生物,不过通常当我们谈论外星人的时候,我们指的并不是微生物,而是复杂的生命体,是我们可以与之对话的生命体,或者说是文明,那么银河系中存在其他文明的几率有多大呢?答案仍然是我们不知道,不过我们可以进行观测,通过在银河系中观测到的模式,我们或许可以进行有根据的猜测。

我们并不确切的掌握人类这种高度智能化的复杂生命体是如何发展到今天的,不过显然地球上最初的生命并非此种形式。我们人类得以出现是地球演化了1/4宇宙年龄的结果。从微生物发展成今天的全球科技文明,并开始探索地外生命。

至少现在,我们仍然被寂静所包围着,我们向宇宙深处发送的信息仍然没有得到任何的回应,我们用来搜寻外星人的太空望远镜也没有收到任何信号,但这并不意味着宇宙中是没有其他文明存在的,我们可能一直在错误的地方寻找着错误的目标,不过我认为我们可以在我们的地球上找到“全面寂静”的原因,因为在地球上一个文明的出现需要40亿年的稳定条件,这是非常漫长的一段时间,而当我们放眼于银河系中的其他行星时,我们会发现长时间的稳定环境是一个非常罕见的要素。

2013年欧洲航天局发射了盖亚太空望远镜,它的任务就是对银河系中数十亿颗恒星进行精确的测量。每颗恒星周围都有可能存在着外星世界,而模式已经开始显现。并非所有的恒星都是单独存在的。一些有着自己的伴星。虽然看起来很奇特,然而盖亚太空望远镜已经发现了大约100万个类似的双星或多星系统。

我们早就知道双星系统甚至多星系统的存在,然而我们并不清楚它们在宇宙中的普遍程度,如今凭借着大量的精确数据,包括盖亚太空望远镜的数据,我们知道了大约50%的类太阳恒星都存在于多星系统当中,至于质量更大的恒星则高达80%。

那么银河系中普遍存在的多星系统,对于我们找到另一个地球的几率会产生怎样的影响呢?多星系统中有可能存在类地行星吗?如果存在,它们又有着怎样的命运呢?

2020年,我们或许找到了一条线索,一颗

和火星体积接近的行星在银河系中自由的漂浮着,它被称作流浪行星,然而行星无法在星际空间中单独形成,那么它来自哪里呢?黎明迎来的不是一颗恒星,而是两颗。或许流浪行星是在一个封闭的双星系统中形成的,同时受到了两颗恒星的引力作用,它的轨道因此可能并不稳定。两颗宿主恒星都试图控制它的命运。

然而即使在单星系统中,行星之间的微弱引力作用也会改变它们的轨道,在双星系统中,行星不仅会受到彼此的引力作用,而且同时还会受到另一颗恒星更强大的引力作用,所以即使一颗行星进入了稳定的轨道,它也可能不会在那个轨道上保持太久,因而在双星系统中秩序和混乱之间,它们的界限是非常模糊的。

哪怕是轨道的细微改变也会导致行星气候的剧烈改变,这就是为什么在双星系统中,行星表面的条件无法长期保持稳定,从而无法进一步发展出智慧生命。而行星轨道的变化有时也会非常剧烈,一次擦肩而过,或许就能给流浪行星带来一次终极的引力冲击,将它抛入太空,使它脱离宿主恒星的控制,开始一场穿越银河系的漂泊之旅。

在远离宿主恒星的光芒之后,流浪行星上之前存在的所有液态水都会冻结,曾经保护它的大气也会凝固并掉落到行星表面,这颗流浪行星将成为一个任何生命都无法忍受的世界,成为一颗孤独漂泊的行星,直到数千万年后才被我们发现。一个像地球一样的小型流浪行星,在黑暗的太空中,永远漂浮着。

这颗漂泊的孤独行星事实上并不独特,虽然流浪行星很难被探测到,然而据估计银河系中可能存在着上千亿颗流浪行星,流浪行星可能是银河系中最为常见的行星类型,虽然我们推测大部分流浪行星在形成后不久就会脱离它们的恒星,这也佐证了恒星系统不能长久保持稳定,然而复杂的生命体可能需要数十亿年的时间才能进化出来。

虽然我们对生命行星的寻找才刚刚开始,但是我们已经取得了众多的发现。我们发现了第一批岩质行星,其中一些位于恒星周围的宜居带上,一些表面上可能存在着液态水,它们是未来寻找生命迹象任务的候选行星。不过我们也发现了许多奇异行星,它们在激变恒星周围运转,条件极其恶劣。还有数量众多的流浪行星。据我们所知,这些行星上几乎无法存在复杂的生命形式。或许这些行星恰恰说明了为什么一颗行星如此与众不同。

狂暴、混乱以及持续的改变是银河系等星系非常典型的特征,然而地球似乎并未受到影响。是的,地球上的确发生过物种大灭绝,不过地球上也存在着一条可以追溯到四十亿年前绵延不断的生命链,如果说这就是从生命的起源到发展出文明所需要的时间,那么虽然银河系中存在着数十亿颗可能出现生命的行星,但是出现文明的几率却很低,当然这只是一种观点,一种有根据的猜想。

或许我们第一次看到了银河系以外的行星世界,它距离我们大约3000万光年,位于涡状星系的旋壁之中,一颗和土星体积大小相当的行星。这一发现拓宽了我们的视野,也标志着我们寻找银河系外行星的开始。

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