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探寻“下一个地球”的新方法

2016-09-18 10:03 来源:科技日报 张梦然 综合外电

  SETI计划

  核动力火箭(示意图)

  摄星计划

  开普勒望远镜

  月球基地(示意图)

  1992年,第一颗围绕恒星运转的系外行星被发现,自此人类开始大规模铺就行星搜索之路,积极确认着地球的“同类”。但那些系外行星,只要居住在几光年或者几十光年外就已经算是“近邻”了,大部分距离我们动辄几百上千光年远,这给人类的好奇心蒙上一层阴影。我们的“触角”显然够不到那么远,不过,我们的“视野”却可以。

  现今,科技进步让人们掌控了多样化的观测手法,也使我们得以快速发现大量系外行星。脉冲星计时法、凌日法、重力微透镜法和径向速度法等手段已问世多年,传统而精确。

  譬如,目前为止,确认行星最具有成效的径向速度法,就在今年向世人展示了其发现比邻星b的“稳准狠”——该发现源于比邻星有时会以每小时5公里的速度靠近地球,有时又以相同速度远离地球,天文学家由此推算出径向速度的重复周期为11.2天,并进一步分析出,造成这种结果的原因,可能是存在着一颗质量约为地球1.27倍的行星,从而让比邻星b露出了马脚。

  但除了传统型算法外,还有不少新颖且有代表性的手段正在向系外行星招手,其中一些仍处于萌芽中,另一些已然为人们奉上硕果。

  方法一:巨型望远镜“直接拍照”

  安装在拉斯坎帕纳斯天文台的巨型麦哲伦望远镜,有着四块直径为27英尺的大型镜面,而它仅仅只是三台巨型望远镜中的一个。当整个观测系统在2020年投入使用时,其直径或将达到惊人的22米。不过,这还不足为奇,另一个项目小组已经在夏威夷建造直径30米的望远镜。当然,以上这些在直径39米、同样坐落在智利安第斯山脉的欧洲超大型望远镜面前,都不算个事。

  日趋大型化的望远镜,毫无疑问增强了人们发现新行星的能力。我们将不仅通过高分辨率的近红外望远镜观测目标行星的大气成分,甚至有可能发现正在进化中的智慧生命。

  这种“直接成像”手法原则上是观察系外行星的最重要方式,但该法要求行星的自身尺寸要足够巨大,与恒星的距离还不能近到被其光芒所掩盖——因此更是对技术的巨大挑战,非常不易实现。实际上,所有人类迄今已确认的太阳系外行星中,能直接确认其形态的少之又少,大部分都是间接推测出来的。

  方法二:利用狭义相对论算法

  这是系外行星探索“技术库”里增添的一个新手段。

  从效果上来说,并没有任何方法比直接发射飞行器到太空中进行观测更好。但正如以色列特拉维夫大学和美国哈佛大学的一个联合小组曾经做过的那样,新方法同样也可以让人们收获意外惊喜。借助由狭义相对论的规则发展而来的方法“BEER”,即通过观察行星围绕恒星运行时产生的“聚束效应(BE)、椭球形拉伸(E)以及行星反光(R)效应”来发现行星存在的方法,他们成功利用开普勒望远镜提供的数据,发现了一颗新的热木星。

  这种方法也曾令开普勒太空望远镜获得了新生,因为其原理就是观测行星绕行过恒星正面时后者亮度发生的变化。依照“BEER”,美以联合小组观察到恒星“开普勒-76”亮度发生的细微变化,并判断是由一颗不可见的行星卫星运行经过时所导致,最终发现了行星“开普勒76-b”。

  方法三:在月球基地瞭望远方

  “坐地观天”可以使我们建造越来越巨型的望远镜,但缺点是大气会带来很多干扰,而这也正是轨道太空望远镜广受欢迎的原因。

  其实,从太空中观测的方式有很多,除了直接在轨道放置太空望远镜,也有科学家建议在大气稀薄的月球上建立观测基地。当然,这意味着人类必须花费力气再次登陆月球,亲自用双手来完成相关建设工作。不过一旦付诸实施,我们所获得的回报将是更加深远与清晰的“视线”。

  2016年3月,欧洲空间局毫不掩饰地宣布了自己想建立月球永久基地的计划;今年8月,美国私人航天公司“月球捷运”表示,将独立开展登月活动——这也是商业实体首次获准前往外太空目的地,他们打算开通到月球的货物“快递”业务,在月球上开采水和其他资源,并将这些资源转化为燃料出售给太空探险者。可见,尽管NASA官方任务表里“重返月球”计划被遗弃,但不代表美国人就要放弃未来的月球基地。而这一基地一旦落月生根,更深远的太空探索指日可待。

  方法四:遮蔽器帮助拍摄

  在目前已知的系外行星中,绝大部分都是通过数学、物理等理论方法发现的,很少有直接观测到的成果,其根本原因在于,要从其绕行恒星散发出的强烈光芒中挑出行星的单独影像极为困难——目标行星距离我们过于遥远,其反射的光在被望远镜接收之前,就常被临近的恒星光芒所干扰。

  麻省理工学院的研究人员决心克服这一难题,以提高可“直接看到”的行星比例。他们的方式是制作一扇能够置于望远镜镜头正前方、外形类似向日葵般的遮蔽装置,这种装置在太空中展开后,能够自动将自身的位置精确固定在太空望远镜与被观测的行星之间,当望远镜进行工作时,星光抑制器即可阻挡或过滤掉多余的、产生干扰的恒星光芒进入镜头,从而令行星反射的光更加明显和突出。

  在它的帮助下,天文学家就可以操控望远镜拍摄到清晰程度前所未有的系外行星图像,进而研究它们中是否存在与我们类似的生命。简而言之,其原理很像人们在烈日下常用手搭凉棚的方式,来看清远方的事物。

  方法五:光散射技术成就“激光梳”

  这是一种可以帮助人们利用地基望远镜找寻新行星的工具,其秘密在于观察行星与所属恒星之间的引力作用。

  “激光梳”实际算不上一种崭新的方法,这里所谓的“新”,其实是指当前的精准程度已远超过去。借助激光及其衍生的原子钟,天文学家们能够精确获得有关距离的数据。

  随着光散射技术的成熟,“激光梳”逐渐成为精确测量多普勒效应的主要工具。它将光线散射,使用大型质谱仪进行分析。在地面望远镜越来越先进的前提下,人们已经能够用其找寻类似海王星的新行星。

  方法六:抓住瞬息即逝的闪光

  荷兰有一个肩负多项研究任务的无线电天文望远镜阵列,名为低频搜索与测距望远镜。其囊括的一个任务便是监测远地类木行星上发生的类似极光之类的闪光事件。通常情况下,这些持续时间极短、非常明亮的射电现象来自脉冲星,持续时间甚至小于千分之一秒,起源点距离银河系非常遥远。

  虽然目前这种技术只能支持观测距离我们与木星一样远的气态行星,但科学家认为,它同样可以作为研究类似太阳系的恒星系统的手段之一。

  方法七:尝试发现其他磁场

  如果真的存在“下一个地球”,那么它一定有保护生命免受宇宙辐射伤害的手段。磁场就是其中之一,这有望成为人类发现新行星的方法。

  关于行星磁场我们所知甚少。其实,除地球外,目前人类对其他行星的一切都只有零星的初步认知。不过,由于空间探测技术的发展,情况正在迅速改变。到目前为止,人类已对太阳系内的水星、金星、火星、木星和土星的磁场进行了空间探测。以此类推,通过寻找磁场遭遇恒星风时弓形激波间的相互作用,科学家们就有望找到地球的同类。

  方法八:接收来自地外文明的信号

  与以上办法相比,最后这种做法有些另类,因为它的前提是:坚信外星智慧生物存在。

  2015年5月,俄罗斯天文学家称“俄罗斯科学院射电望远镜-600”(RATAN-600)探测到的波长为2.7厘米、波束宽度水平方向大约20弧度秒、垂直方向大约2弧度分的无线电信号,来源于武仙星座内HD164595恒星系,距地球大约95光年,这意味着那里可能存在外星文明。然而,今年8月底,美国科学家动用艾伦射电望远镜阵列,连续两天搜寻相关信号,却没有得到令人满意的结果——这一信号被无情地否定。

  向俄罗斯天文学家“泼冷水”的,正是活跃在大众视野里的“搜索外星文明”(SETI)项目,该团队除了试图通过分析阿雷西博射电望远镜采集的无线电信号,搜寻证实外星智能生物存在的证据,还尝试给无线电编码并试图发送到太阳系外。这一做法究竟是聪慧还是愚蠢?似乎没有答案比知晓结果更令人安心。

(责任编辑:王蔚)

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