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地球的“寻亲”之旅

开普勒任务(Kepler Mission)是NASA设计用来发现环绕其他恒星的类地行星的空间望远镜。开普勒太空船于2009年3月6日发射升空,此后发现了候选系外行星4696颗,确认系外行星2326颗,确认系外行星小于两倍地球大小的行星21颗。2013年5月15日,开普勒空间望远镜由于反应轮故障,无法设定望远镜方向,任务被迫终止,经过3个的努力,2013年8月18日,NASA表示无法修复开普勒望远镜,但其仍然可以在地球公转的黄道平面上即借助太阳光子产生的作用力调整望远镜姿态,继续执行观测任务,该任务也被重新命名为“K2”,至今,K2任务又发现了候选系外行星458颗,确认系外行星128颗。


图中所显示的呢,是我们迄今为止发现的宜居且与地球相似度极高的几颗行星,从左至右分别为:开普勒-22b,开普勒-69C,开普勒-452B,开普勒-62F和开普勒-186F,最后一个是我们的家,地球。事实上,在宇宙海洋中,像这样的行星可能连一粒尘埃都算不上,要发现它们,并不是一件简单的事儿。


首先,我们应该了解一下它们可能存在的地方:宇宙宜居带


“宜居带”其实本是一个生物学概念,在地球上,任何动物、植物、以至于微生物来说,都会有一个最合适其生存的地带,比如在自然环境下,椰子树不会生长在西伯利亚,而我们也不会在西沙群岛看到云杉树。如果把地球上所有生物以及它们在不同演化阶段所需要的不同条件加以总结,将这些条件扩展到所需行星的条件、太阳的条件甚至是恒星系的条件等,就有了“宇宙宜居带”的概念。


图中所显示的这条带状的区域就是宇宙宜居带,可见行星与恒星的相对距离是一个关键因素,简单地说就是如果离恒星太近,地球将是一片火海,而距离过远,则会是冰封全球,这就好像煮一锅麻辣小龙虾,火小了肉质不筋道,而火大了肉就会不好嚼,这个麻和辣比例……咳咳,说正事儿,但事实上,并非所有的恒星系都存在宜居带,天文学家把恒星根据颜色分成O、B、A、F、G、K、M几类。它们的颜色由蓝到红,温度由高到低,质量由大到小。自地球诞生大约12亿年才出现简单生命,经过30亿年才出现复杂生命,所以要想孕育出生命,行星的母恒星寿命必须足够长。此外恒星的温度也不能太高,否则紫外线可以直接进入深水,生命会被扼杀在摇篮中。O、B、A这三类恒星寿命短且紫外线强,直接否决,剩下的F、G、K、M这四类恒星是满足条件的。我们的太阳属于G型恒星,下面这张图显示了开普勒任务发现的部分恒星和其系统内的行星。


要知道,这项研究所带来的意义简直是划时代的,几乎为我们排除了可观测内99%恒星系以及其中的行星。而这也只能算是个初试,下一步,就是对行星本身的考察。


那么,究竟哪些行星适宜人类居住呢?


根据一项新的理论研究,在46亿年前太阳系诞生时,宇宙中只有8%适合人类居住的行星产生。即使再过60亿年太阳寿命终结,也仍还有92%的宜居行星仍未“出生”。所以就目前来看,这样的行星还是很少见的,综和前面的“初试”,宜居行星需要满足下列条件:


1.该行星所围绕的恒星不能太大(需考虑紫外线辐射,过大的恒星会放出大量的辐射)

2.该行星所围绕的恒星不能太小(行星需要靠得非常近才能足够温暖,导致潮汐锁定,一面永远对着太阳一面永远黑暗)

3.该行星所围绕的恒星必须非常稳定

4.该行星必须在宜居带内

5.该行星所围绕的恒星必须是单星,或者至少离其他伴星要非常远(不然行星轨道会被扰动,一会贴到太阳上,一会跑到天边)

6.最好外层轨道上有几个大行星充当保镖(比如太阳系里的木星土星,强大的引力使小行星或者彗星撞向自己,让近日行星处于相对安全的宇宙环境)

7.行星必须是类地岩石行星

8行星表面重力必须和地球差不多

9.大气层气压必须和地球差不多

10.大气层成分不能太离谱

11.地壳活动不能太剧烈

12.有强力的保护伞(必须有磁场保护)


经过重重筛选,在开普勒望远镜发现的行星中,有6颗行星及其系统被认为是接近地球的:


开普勒-10b(Kepler-10b)

Kepler-10b是第一个被确认为类似我们地球的岩石星球。这颗星球的半径大约是地球的1.4倍而且围绕它的母星运转周期不足一天。开普勒的超精准测量能够确定这颗星球的质量是地球的4.6倍,这就使它在密度上类似于铁质哑铃。但它的构成极为贴近母星,一些科学家认为开普勒-10b更像一颗超级水星而不是地球双胞胎。


开普勒-22b(Kepler-22b)

这颗星球距离地球600光年而且半径为地球的2.4倍,围绕着一颗太阳一样的恒星运转。此外它的一年大约为290天,比我们的地球稍短。科学家们并不知道它的构成,但是如果它有大气的话,它或许有一个巨大的海洋而且有可能的存在生命。


开普勒-62e(Kepler-62e)


开普勒-62f(Kepler-62f)

开普勒-62行星系统距地球约1200光年,位于天琴座。在该系统中,5颗行星围绕一颗比太阳更小、更冷、更老的恒星运行,开普勒-62e和开普勒-62f是其最外围的两颗,它们的体积分别为地球的1.6倍和1.4倍,受到的热量辐射也只是地球的1.2倍和0.4倍,公转周期分别为122天和267天。德国马克斯-普朗克天文研究所科学家说,开普勒-62e的温度“可能就像5月的华盛顿”。研究人员猜测,这两颗行星主要由岩石或冰构成,只有在获得相关大气频谱特性后,才能清楚它们是否真的“宜居”,“如果上面有生命,肯定非常高级”。


开普勒-69c(Kepler-69c)

开普勒-69c位于开普勒-69行星系统,在天鹅座,离地球约2700光年,体积为地球的1.7倍,公转周期为242天,构成材质尚不确定。


开普勒-186f(Kepler-186f)

开普勒-186f是一颗环绕红矮星开普勒186的行星,距离地球约492光年。该行星是第一颗在太阳以外恒星旁发现的在宜居带内且半径与地球相若的系外行星。开普勒-186f的轨道周期为129.9天,其轨道半径是地日距离的36%;因此在这个距离无法确认它是否被母恒星潮汐锁定。因为母恒星的光度并不高,开普勒-186f接收到的辐射通量只有地球的32%。该星球位于适居带中,但位处其边缘,与太阳系当中的火星位置类似。


“寻亲”之路总会有些坎坷,要不哪来的惊喜呢!2015年7月24日,NASA宣布找到了“地球的表哥”,他们在天鹅座发现了一颗与地球相似指数(ESI)为0.83的类地行星,开普勒-452b。这颗行星距离地球1400光年,围绕着一颗与太阳非常相似的恒星运行。开普勒452b到恒星的距离,跟地球到太阳的距离相同。NASA表示,由于缺乏关键数据,还不能确定Kepler-452b究竟是不是“另外一个地球”,但它是“迄今最接地球”的系外行星。


开普勒-452b的轨道半径为1.046个天文单位,和地球基本是差不多;公转轨迹略大于地球的公转轨迹。公转一周需385天,比地球多了不到一个月。直径比地球大60%,体积为地球的5倍,地表的重力是地球的两倍,跟其恒星的距离与地球和太阳的距离相约,它的恒星比太阳老15亿年,光度为太阳的1.2倍。(表哥你好!)


从图中可以看到,开普勒-452b与其母恒星的距离几乎与日地距离相同,虽然根据“合理”猜测,开普勒452b有很大的可能性是一颗岩石星球,但由于缺乏密度数据,我们还无法判断其物质组成,所以只能暂且称其为“地球的表哥”。


2016年5月10日,NASA官宣布,开普勒项目最新确认了1284颗系外行星的存在,这也是有史以来发现系外行星规模最大的一次 ,其中有9颗为宜居行星。


开普勒望远镜对系外行星的搜寻结果表明:位于恒星宜居带内,表面能够存在液态水且大小和地球相仿的行星,在银河系是普遍存在的。根据这一调查,科学家们预测目前银河系内应该存在约10亿颗地球大小的行星,并且其中很多都是像地球这样由岩石组成的类地行星。而在目前我们可观测宇宙的范围内,还有一千亿个像银河系这样的星系,这样估算下来得到的数字是非常惊人的。


即使如此,我们的地球仍是一个奇迹,早在1978年,天体物理学家迈克尔·哈特的计算就表明地球与太阳的距离再远1%,在地球演化史上将会出现一个不可逆转的冰期,而如果距离再近5%,它也可能出于一个不可逆转的温室状态。假若地球的轨道更扁一些,上述的距离限制会更加严格。后来,太阳系持续宜居带的宽度被确定为0.95到1.15个天文单位。虽然这个宽度比哈特计算的结果宽的多,但从整个太阳系的尺度来看,却仍然很窄。同时,就目前的文明程度来看,我们几乎不可能到达那些候选的宜居行星,地球仍然是我们唯一的家。

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