银河系内至少存在3亿颗宜居行星,人类第二家园真的存在吗?

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银河系内至少存在3亿颗宜居行星,人类第二家园真的存在吗?
麻省理工科技评论 2020-11-22

2020-11-22

在银河系内,至少有 3 亿颗宜居行星在围绕着类日恒星公转。
太空
在银河系内,至少有 3 亿颗宜居行星在围绕着类日恒星公转。

在银河系内,至少有 3 亿颗宜居行星在围绕着类日恒星公转。这项研究成果发表于《天文学杂志》,是由来自美国国家航空航天局、搜寻地外文明计划(SETI)研究所和世界各地其他科学家合作完成的。

搜寻宜居行星的思路是,按照地球和太阳的参数,在银河系内寻找类似的恒星系统,找到那些位于宜居带上的 “宜居行星”。这些潜在的宜居行星至少要满足两个条件:一是其公转的恒星和太阳具有相近的温度和年龄;二是行星距离该恒星距离与地球到太阳距离相当,即在宜居带上。

在宜居带上并不代表该行星宜居,但存在宜居的可能性。具体来说,宜居带就是围绕恒星轨道的带状区域,这个区域内的行星,其大气压强和获得的热量能够支撑液态水存在,因此被称为宜居带。

位于宜居带是宜居的必要不充分条件。但这确实是一个寻找适合人类生存的第二家园的方法。

开普勒计划的使命

这次科学家的最新研究成果,是基于开普勒太空望远镜在 2009-2018 年之间收集的系外行星数据得出的。

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图|开普勒望远镜 (来源:NASA)

开普勒太空望远镜在 2009 年 3 月由 NASA 发射升空,它的使命就是搜寻绕其他恒星运转且与地球大小相似的行星。通过使用光度计,在固定视场内连续监测 15 万颗恒星的亮度,这些数据随后传输回地球进行分析。该计划寿命最初定为 3.5 年,但是由于望远镜持续出现故障,整个计划一再延长,直到 2018 年,开普勒望远镜正式宣布退休。

虽然命途多舛,开普勒望远镜依然获得了大量有价值的数据和观测结果。开普勒计划在一生中观测到了 53 万多颗恒星,并发现了 2800 颗系外行星。在 2015 年,NASA 公布了开普勒发现的位于宜居带的 4 颗行星数据。其中,开普勒 438b、开普勒 442b 和开普勒 452b 接近地球大小,可能是岩石。第四个是开普勒 440b,是超级地球。

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图|开普勒 440b 系外行星与地球相对大小 (来源:NASA)

这些行星有一个共同点,即可能存在液态水。例如开普勒440b,其距离地球850光年,半径是地球的1.86倍,其轨道在宜居带上。

虽然开普勒的使命完结,但后续的数据分析工作还在持续进行。这一次,科学家处理了开普勒数据中推断出来的一些棘手问题,特别是到底在银河系中有多少类日恒星公转轨道上有宜居行星的问题。在此前,相关研究给出的答案不一,从不足 1% 到超过 100%(一颗恒星周围存在多个宜居行星)都存在。

导致分析结果悬殊主要有两个原因:数据不完整,以及开普勒数据集中存在错误的检测结果。这一次,参与数据分析的科学家们首次使用了完整的开普勒系外行星数据集,还是用了盖亚(Gaia,即欧洲航天局绘制银河系恒星的任务)提供的恒星数据。这一切都有助于提高最终结果的准确性,降低不确定性。在此之前,科学家们花了数年时间分析开普勒数据以剔除不确定性因素,确保只剩下真正的系外行星。

加州 NASA 艾姆斯研究中心的史蒂夫・布莱森负责这项新工作。它的团队确定了银河系中类日恒星的形成率和可能有岩质行星(半径是地球的 0.5 到 1.5 倍)绕其公转的恒星数量,以及岩质行星宜居的可能性。

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图|系外行星概念图 (来源:东方 IC)

根据布莱森和他的团队预测,平均而言,银河系中 37%-60% 的类日恒星至少有一颗可能宜居的行星绕其公转。乐观的话,这一数字可能高达 88%;保守估计,这一数字将降低到银河系中类日恒星的 7%(即 3 亿颗)。研究团队在这一基础上预测,距离地球 30 光年的范围内,有宜居行星绕其公转的类日恒星达到 4 颗。

布莱森对此评价说:“开普勒任务最初目标之一就是把这个数字精确的计算出来,我们也一直打算这么做。” 言外之意,布莱森等人终于完成了开普勒定下的最初目标,虽然距离开普勒望远镜退休已经过去了 2 年。

行星的宜居性和其表面是否存在液态水相关。大多数研究通过测量系外行星和朱恒星距离来判断,距离过近或者过远都不合适。根据布莱森的说法,当观测一颗特定恒星时,可以通过其亮度判断它对周围行星传递的热量,以此判断是否宜居。布莱森还强调,如果只依靠距离判断,是不精确的。除此之外,他的团队还会直接测量行星的真实温度。

尽管布莱森团队表示这项研究的不确定性比此前要小,但依然很大。这主要是以为系外岩质行星的样本太小了。开普勒确定了 2800 多颗系外行星,其中只有一部分围绕类日恒星公转,用这个数字推断银河系中其他数亿颗这样的行星精度不理想。

但这只是第一步。开普勒计划的全部意义在于,让科学家弄清楚应该把更多的资源投入到什么星体的研究中,才能找到地外生命。因为资金、设备和观测时间都是有限的。同时,这些工具 (如美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜和欧洲航天局的柏拉图望远镜) 可以用来确定一个可能宜居的系外行星是否有大气或任何潜在的生物特征,而这类研究可以帮助工程师设计更适合执行这些任务的望远镜。

寻找第二家园前提是保护好地球

开普勒卫星在 2018 年退休后,NASA 紧接着启动了 TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite)计划。TESS 指的是太阳系外行星调查卫星,于 2018 年 4 月由 SpaceX 的猎鹰 9 号火箭发射至预定轨道。相比开普勒卫星,TESS 扫略的太空面积扩大了 400 倍。

TESS 配备了四个广角望远镜和电荷耦合器件(CCD),每两周将数据传输回地球。其还能传输有效曝光时间为两小时的全帧图像,科学家能够以此搜索到意外的瞬态现象,比如伽马射线爆发。

截止 2020 年 5 月,TESS 已经识别出 1835 个候选的系外行星,其中 46 个得到了确认。

人类从来没有停止对地外文明和除地球外第二家园的探索,虽然这个过程充满了挫折而且经常是一无所获。就在今年九月份,《澳大利亚天文学会出版物》(Publications of The Astronomical Society of Australia)杂志上的研究报告显示,澳大利亚科廷大学研究人员使用 4096 天线阵列对广泛的太空区域进行扫描,希望能捕获外星文明的无线电传输信号。在扫描了 1000 万颗恒星后一无所获,这次搜索的范围是有史以来最大的一次。

因此,人类不禁要问,是否存在和地球一样适合人类居住的系外行星,或者说,是否存在地外文明?

科学家对此有过诸多的讨论。一种解释叫 “地球特异性假说”(Rare Earth hypothesis),支持该理论的人认为形成生命需要多种事件和因素结合到一起,这意味着地球可能是宇宙中一个孤独的存在。

还有科学家认为,虽然外星文明可能很普遍,但是他们无法穿越星际距离,或者在掌握该技术之前就会毁灭。

根据德国天体物理学家和射电天文学家塞巴斯蒂安・冯・霍纳(Sebastion von Hoerner)的说法,人类文明平均持续时间为 6500 年。在此之后,会由于外部原因或者内部原因(精神或物理上退化)而消失。

三十年前,“旅行者一号” 飞抵太阳系边缘,在永久关闭摄像头之前,NASA 操控它回头为太阳系拍摄了一张 “全家福”。在照片中,地球是一个 “暗淡蓝点”,只占 0.12 个像素。

银河系内至少存在3亿颗宜居行星,人类第二家园真的存在吗?

图|“暗淡蓝点” 照片

美国著名天文学家卡尔・萨根在其著作《暗淡蓝点》中,有这样一段话:

“再看看那个光点吧。那是此地,那是家园,那是我们。你所爱的每一个人,你所知的每一个人,你所闻的每一个人,曾经存在的每一个人,都在它上面度过一生。我们的悲喜相加,千百个自以为是的宗教、意识形态和经济学说,每一个猎人与强盗,每一个英雄与懦夫,每一个文明的缔造者与毁灭者,每一个国王与农夫,每一对青春爱侣,每一对母亲父亲,憧憬的孩童,发明家与探险家,每一个德行崇高的教师,每一个贪污腐败的政客,每一个 “超级明星”,每一个 “最高领袖”、人类历史上的每一个圣人与罪人,都住在这里 —— 一粒悬浮在阳光中的微尘。”

人类探索宇宙的脚步不会停止,寻找地外文明和第二家园的宏伟计划也会一代代继承下去。但与此同时,保护好这唯一的 “暗淡蓝点” 显得更为重要 —— 因为这是迄今所知的唯一家园。

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