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“第二个地球”:一个美丽的童话

编者按
北京时间7月24日零点,美国国家航空航天局(NASA)召开发布会,宣布发现了所谓“另一个地球”,也就是迄今为止与地球最相似的系外行星——开普勒452b(Kepler 452b)。发布会通过音频与图片形式向全球直播。

而在此之前,NASA在发布会预告中称:“天文学家们已经接近几千年来我们所梦想的目标——发现另一个地球。”这一表述可谓吊足了人们的胃口。全球都在期待NASA带给我们振奋人心的重大消息。

除了公布最新发现,NASA的高调行动似乎也另有诉求。在中国国家天文台副研究员、科普专家郑永春看来,此次新闻发布会更像是花费了6亿多美元的开普勒太空望远镜向全球公众,特别是美国政府、国会和纳税人的“汇报演出”,“目的是告诉他们,你们给的这些钱没有白花”。

郑永春(中国科学院国家天文台)


太阳系之外真的有这么多“地球”吗?位于恒星宜居带内的系外行星,如果大小与地球相近则往往被描绘为可能有水,适合生命生存。但实际上这还取决于行星的物质组成、有无大气层等行星本身的性质。

引子

地球孕育了人类,是迄今为止浩瀚宇宙中唯一确证有生命的星球。地球是太阳系八大行星之一,银河系中像太阳一样的恒星有上千亿颗,而整个宇宙中像银河系一样的星系又数以千亿计。

如果从太阳系外看,地球就像宇宙中的一粒尘埃,恰恰是这粒尘埃,却是人类唯一的赖以生存的家园。我们遗憾地发现,迄今为止,地球仍是太空中唯一适合人类长期居住的行星。系外行星的想象虽然美好,但这只是一个美丽的童话,另一个地球美好的“远水”解决不了人类面临的“近渴”,人类未来的命运系于地球。除了地球,我们别无所依。

开普勒太空望远镜搜寻之旅

所谓系外行星,就是位于太阳系之外,围绕另一颗恒星运行的行星。7月23日,美国国家航空航天局对外发布预告,将于北京时间7月24日零点整对外发布有关系外行星搜寻“令人兴奋”的新消息。预告称“天文学家们已经接近几千年来我们所梦想的目标——发现另一个地球。”这个预告一下子吸引了全球新闻界特别是科技媒体的关注。

从7月14日“新视野号”飞掠冥王星和冥卫持续数天的新闻报道,到前几天铂金小行星飞越地球附近的“财富诱惑”,再到今天宣布发现另一个地球——开普勒452b 。今年7月的这个夏天,太空和宇宙探索的新闻让我们把目光投向宁静绚烂的遥远星空,似乎它们能够在酷暑煎熬中带给我们一丝清凉。

以我的个人分析,这次新闻发布会更像是花费了6亿多美元的开普勒太空望远镜向全球公众,特别是美国政府、国会和纳税人的“汇报演出”,目的是告诉他们,你们给的这些钱没有白花,以争取得到进一步的研究资助。我们应该知道,NASA不仅仅是一个庞大的航天科研机构,它也是一个政府部门,在科学传播和新闻素材的饥渴发布,以及吊人胃口、吸引眼球方面已经十分娴熟,类似的操作手段,我们其实已经屡见不鲜。这些操作既塑造了它良好的公众形象,传播了科学精神,也回应了公众期待。

开普勒太空望远镜由NASA下属的喷气推进实验室研制,它携带的最主要的科学仪器——光度计配备了一个直径95厘米的透镜。与哈勃望远镜主要用来拍摄星空图片不同,开普勒望远镜是世界上第一颗探测系外行星的航天器。2009年3月7日,开普勒望远镜从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地17-B发射台发射升空,在3年多的任务期内,开普勒望远镜对天鹅座和天琴座中约10万个恒星系统开展了观测,目的是搜寻太阳系外的行星,特别是搜寻与地球相似、由岩石构成,并位于恒星宜居带上的行星,以研究银河系内行星系统的多样性。所谓“宜居带”是指恒星所属的行星系统中适合生命存在的区域,在太阳系中,距离太阳0.99~1.70天文单位(1天文单位等于1.5亿公里)之间的区域被称为宜居带。由于恒星辐射强度的差异,宜居带与恒星的距离有所不同。


开普勒望远镜担负着寻找第二个地球的重任

开普勒望远镜通过观测行星穿越恒星的“凌日”现象搜寻系外行星。所谓“凌日”是指行星经过其所属的母恒星前的现象,就像地球上观测水星或金星凌日的天象时,我们会发现太阳表面有个小黑点在缓慢移动。当行星运行到开普勒望远镜与这颗行星所属的恒星系统之间时,由于行星的遮挡,望远镜上的光度计接收到的恒星亮度信号会减弱。开普勒望远镜上的光度计非常灵敏,可以检测到恒星亮度的十万分之一的微弱变化。科学家根据恒星亮度周期性的微弱变化,可以推算出系外行星的大小和轨道周期。

为了精确对准观测天区,开普勒望远镜配备了4个反应轮以控制望远镜的方向,其中至少要有3个反应轮正常工作才能实施观测。2012年7月,望远镜上的1个反应轮出现故障,但仍可正常观测。2012年11月,望远镜原定的主要观测任务顺利完成,原计划将观测寿命延长4年。但2013年5月,又一个反应轮出现故障,由于无法凑齐3个反应轮一起工作,望远镜的正常观测基本停止。经过连续数月的分析测试和挽救努力后,项目团队于2013年8月19日宣布放弃修复望远镜,转而让其承担其它研究任务。


开普勒望远镜的结构和主要设备

“第二个地球”——开普勒452b

新闻发布会准时开始,以音频和图片形式向全球直播,开普勒望远镜团队宣布发现了迄今为止与地球最相似的系外行星——开普勒452b(Kepler 452b)。

开普勒452b的直径比地球大60%,距离地球约1400光年(1光年约等于10万亿公里),位于天鹅座。2015年1月6日,NASA曾经发布开普勒望远镜发现的第1000颗系外行星,其中开普勒438b、开普勒442b、开普勒440b等三颗行星的运行轨道位于宜居带内,当时报道也称之为“另一个地球”。但那三颗行星围绕运行的恒星是质量较小、温度较低的红矮星,而开普勒452b围绕运行的是一颗与太阳相似的恒星——开普勒452。


开普勒452b的直径略大于地球,和中心恒星之间的距离与日地距离相似,比开普勒186f更像地球。

由于“凌日”法只能测量系外行星的直径大小,无法估算其质量,因此无法根据密度判断开普勒452b究竟是不是岩石质的行星。但根据理论模型推测,开普勒452b的质量可能约为地球的5倍,若推测成立,则它应该是一颗岩石行星,而不是像木星、土星、海王星那样气液态的巨行星。

开普勒452b的轨道周期(一年)约为385天,接近地球上的一年365天。由于这颗系外行星与母恒星的距离适中,位于温度适宜的宜居带,科学家猜想它的表面可能存在液态水。

虽然新闻报道时大多称之为“第二个地球”,但严格说来,开普勒452b是一颗围绕与太阳相似的恒星运行,与这颗恒星之间的距离适中的系外行星。所以,开普勒452b并不是严格意义上的“另一个地球”,只能说是迄今为止与地球最相似的系外行星。尽管如此,这仍然是搜寻“另一个地球”所取得的重要进展。

根据估算,恒星开普勒452的年龄约为60亿年,比太阳还要老15亿年,围绕这颗恒星运行的开普勒452b的年龄也接近60亿年。由于恒星的光度会随着年龄增长而老当益壮,逐渐增强,因此在开普勒452形成后的50亿年内,这颗系外行星接收到的光照强度应该比地球弱,但如今开普勒452b接收到的光照强度已经超过了地球。这说明随着太阳年龄的增长,地球上接收到的光照强度也将逐渐增强。

此次发布会同时发布了11颗直径小于地球2倍、位于宜居带内的系外行星,但其结果还需进一步确认。

探测冥王星的“新视野号”飞船是迄今为止飞得最快的深空探测器,如果让它从现在开始赶赴开普勒452b,按照“新视野号”目前5.9万公里/小时的飞行速度,飞到“第二个地球”需要约2709万年,而人类在地球上的全部历史也不过200万年,看来有生之年你我是不可能去那里旅游的了。

系外行星:从科学猜想到地理大发现

我们知道,太阳系有八大行星,那么其它恒星也应该有自己的行星系统。但这一设想直到二十多年前仍缺少实际观测证据的支持,依然停留在科学猜想阶段。行星本身不发光,它表面的反射光相对恒星而言是极为微弱的,因此行星常常被掩盖在母恒星的光辉内,要从距离地球达数百光年以远的恒星系统中发现行星是很困难的。早在1855年就有天文学家宣称发现了系外行星,但直到1992年,人类才首次确认有质量与地球相近的天体环绕着脉冲星PSR B1257+12(质量为木星10.98倍的HD 114762 b于1989年被首次发现,是最早被确认的系外行星)。由于并非所有恒星都有行星,因此系外行星的发现给了我们很大的惊喜。银河系里面有上千亿颗恒星,如果1%的恒星拥有自己的行星,则太阳系外的行星将达数十亿颗。

系外行星观测在最近几年取得了重要进展,截至今天(2015年7月24日),已确认的系外行星达1935颗,属于1225个行星系统,其中484颗系外行星位于多行星系统内(数据来源:http://exoplanet.eu/catalog/)。系外行星的观测方法也有新的突破,其中用凌日时间变分法发现3颗,脉冲星计时法发现18颗,直接成像法发现51颗,微引力透镜发现34颗,径向速度或天体测量法发现591颗,凌日法发现 1 179颗。开普勒望远镜自2009年发射以来在太空开展的天文观测,大大提高了系外行星搜索的效率,目前已经探测到18 000颗可能的系外行星,其中262颗与恒星的距离不远不近,位于温度适宜的宜居带。

系外行星的探索具有重要意义。我们知道,太阳系是从一团弥漫着气体和尘埃等星际介质的太阳星云逐渐凝聚、演化而来的。目前,太阳系已经演化到了行星形成的晚期,但我们对行星形成的早期历史并不清晰。通过系外行星搜寻,发现那些处于不同形成阶段、不同类型的行星,有助于理解行星是怎么形成的,未来将向什么方向演化。我们的地球也是一颗行星,具有行星所共有的一些特征,系外行星的探索,有助于研究行星的形成和演化过程,更有助于预测地球的未来,这关于人类未来的命运。

系外行星真的适合人类生存吗

在很多新闻报道中,系外行星往往被称为“超级地球”“最类似地球的行星”“第二地球”等,这似乎描绘了一个光明的前景,人类未来有可能移居到这些星球上去。但作为冷静的探索者,我们需要思考这些系外行星是否真的像地球一样,人类未来是否真的有可能移居到这些行星。

如果是短期登陆探访,有很多太空探索的目的地可供人类选择,因为密闭的登陆舱和厚重的宇航服可以保护我们。但如果要移居到另一颗星球,这就要求找到一个适宜人类长期居住的天体,这个天体必须具备更为苛刻的条件:

首先,要有大气层的保护。以地球海平面的大气压力为1个标准大气压为标准,医院里的高压氧气治疗为1.4个大气压,珠穆朗玛峰顶约为0.41个大气压。如果系外行星的大气太稠密或太稀薄,人类的心肺功能都将难以承受。如金星表面是90个大气压,连载人登陆都无法实现,更不可能适合人类生存了。

除大气压外,还要拥有合理的大气成分和比例。地球大气的主要成分是氧气和氮气,而且要符合一定比例。氧气含量过高,人会发生“醉氧”,过低则会缺氧。但是,目前的探测手段还难以确定系外行星是否拥有大气层,更难以判断大气成分。从太阳系的经验分析,土卫六的大气是氮气和甲烷,木卫二为纯氧,金星大气主要为二氧化碳,可能大多数系外行星的大气成分主要为氮气、甲烷、二氧化碳等,根本不适合人类生存。除了氧气,地球大气层中的微量气体也发挥了很大作用,比如臭氧过滤掉了对人类危害最大的紫外辐射。系外行星如果没有臭氧层,人类患皮肤癌的概率将大大增加。

其次,要有液态水和适宜的温度。水是生命之源,根据地球的经验,生命的存在离不开水。有了水,才有可能形成生态系统,人与生物圈才能形成相互依赖、不断进化的生态系统,否则人类单独是难以长期生存的。实际上,现有科技手段还无法证实系外行星上是否有液态水,只能根据系外行星与恒星之间的距离来估算行星上的温度,并根据温度范围推断是否有液态水的存在,并非探明真的存在液态水。即使系外行星与恒星的距离位于宜居带内,也并不能保证行星表面具有适宜的温度。行星大气层的密度和成分将显著影响行星表面的温度。

根据达尔文的进化论,生命的演化需要经历漫长的历史。太阳作为太阳系的母恒星,是一颗中等质量的恒星,人类预测其寿命大约100亿年。现在太阳的演化已经过去约50亿年,地球的形成已历经了46亿年。地球诞生后8亿年才出现简单的生命,而人类的出现则不过250万年。换言之,太阳系诞生约50亿年后才繁衍出高度发达的文明。在宇宙中,如果母恒星的质量太大,其寿命就会比较短,它的行星就会来不及在母恒星的“有生之年”演化出相对复杂的生命。

再次,适宜居住的系外行星必须有一个岩石质的表面,让人类可以继续生活在陆地上。由于系外行星的质量越小就越难观测到,所以早期发现的系外行星大多是木星那样巨大的气液态行星,并不适合生命生存。适宜居住的行星还要有一个完美的磁场,可以屏蔽来自恒星和恒星际的高能带电粒子;这些行星必须已经演化到了中年阶段,内部能量的释放比较温和,因为处于演化早期的年轻行星往往会狂暴地释放内部能量,地震和火山爆发的强度和频度太大,人类在这些自然灾害面前的生存机会将十分渺茫。

最后,系外行星所属的恒星的能量释放要比较稳定,否则人类在恒星爆发的超级带电粒子风暴面前只能坐以待毙。行星系统要已经演化到晚期阶段,大量的小天体碎片已经被大的行星吸积,行星际空间逐渐清朗,可以大大降低行星被小天体撞击的几率。

总之,人类之所以能在地球上生存,是因为地球穿了几层保护人类的防护衣。第一层是磁场,它屏蔽了大量高能带电粒子,保护我们免受高剂量辐射的伤害;第二层是大气层,它提供了人类呼吸所需的氧气和植物生长所需的二氧化碳,其中的臭氧又过滤掉对人体有害的紫外线;第三层是水圈,水作为载体,促进了地球各圈层之间的物质循环和生物的新陈代谢。

系外行星:遥不可及的美丽童话

系外行星本身不发光,在遥远的、很亮的恒星附近很难直接观测到,大多通过行星运行时对恒星的扰动来判断。迄今还没有办法明确判断系外行星是否有岩石质的表面,是否有液态水,是否有磁场,大气层中是否含有氧气,更难以确认系外行星是否真正与地球环境相似。

如果人类足够幸运,真的发现了一颗类似地球的系外行星,那我们是否有能力到达这颗系外行星呢?开普勒望远镜最近发现了8颗系外行星,其中有3颗处于宜居带,温度范围允许液态水的存在。其中比地球大12%的开普勒438B也一度被认为最类似地球,距离地球475光年,公转周期为35.2天,取代此前发现的开普勒186F,被认为是最有可能接近地球环境的系外行星。另一颗类似地球的系外行星开普勒442B,距离地球1100光年,公转周期为112天。以“新视野”号在借助木星引力加速后的峰值速度7万~7.5万千米/小时(相当于19~20km/s,大于第三宇宙速度)估算,飞到开普勒438B需要684万年,飞到开普勒442B需要1584万年。所以在星际飞行理论没有突破的情况下,如果依靠传统火箭,不借助时空穿越,人类基本上不可能抵达这些系外行星。


行星系统的宜居带。纵坐标为母恒星质量与太阳质量的倍数,横坐标为行星到母恒星的距离与日地距离的倍数。

除了地球,我们别无所依

人类是在地球上繁衍进化而成的,我们的身体、生产、生活都已经适应了地球的环境。就像世界上没有两片完全相同的叶子,宇宙中与地球一模一样的星球几乎是不存在的,所以如果移居到另一颗星球上生存,人类很可能就需要进化成另一种生物。虽然地球并非天堂,也会面对超级太阳风暴、地球磁极倒转、小天体撞击等天文灾难,也有地震、火山、海啸等重大自然灾害,但即使我们对地球诸多不满,它依然是我们唯一的生存家园。

我们寻找系外行星,我们希望登陆火星乃至移民火星,并不是因为那里更加美好,而是为了寻找人类未来的避难所。地球上的生物常常需要面对重大的灾难性事件,根据推测,地球上的生物大灭绝平均2600万年发生一次。就像导致曾经独霸地球的恐龙灭绝一样,这样的灾难一旦发生,必将导致人类的灭绝。为了人类的火种得以延续,我们需要在宇宙中寻找避难所,这就是我们搜寻系外行星和开展深空探测的重要价值。但是,在星际飞行理论没有质的突破之前,在用于时空穿越的虫洞还没有成为现实之前,人类还不可能飞出太阳系,未来移居地的搜索只能局限在太阳系以内。而在太阳系内,火星是目前科学界公认的最佳选择。木卫二、土卫六可能会有生命存在,但那里并不适合人类移居。


地球上的戈壁和沙漠可以作为载人登陆火星前的野外训练基地。图为美国犹他州沙漠。


载人登陆火星模拟图。机器人和航天员将协同考察。

从太空回望地球,如果是冥王星的距离,地球是阳光照耀下的一个暗淡的蓝色圆点。如果从太阳系外回望地球,地球就像是漂浮在空荡荡的宇宙中的一粒尘埃,相当于太平洋中的一滴水。但恰恰是这个暗淡的蓝色圆点、这粒尘埃、这滴水,正是人类唯一赖以生存的家园。在遍寻整个宇宙之后,我们遗憾地发现,地球仍是迄今为止太空中唯一适合人类长期居住的行星。保护地球,就是保护人类的未来。如果把人类看作一个大家庭,那么地球就是我们代代相传的“稀世珍宝”,我们有义务把它完好无缺地传给下一代。我们不能在地球上肆意地乱涂乱画,把一颗千疮百孔、伤痕累累的地球交给我们的孩子,这是每一个人的责任。

系外行星的想象虽然美好,但这美好的“远水”解决不了人类面临的“近渴”。人类未来的命运系于地球。

除了地球,我们别无所依。


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