【賽先生】用ET尋找宇宙中的“E.T.們” | 賽先生天文

文章來源:上海天文臺  |  發布時間:2022-07-14  |  【打印】 【關閉

  
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宇宙中真的存在如E.T.這樣的智慧生命嗎?我們又應該如何尋找他們?圖片來源:電影《E.T.》劇照
 
導語:
  在過去幾周,我們推送了《類地行星中的“葫蘆七兄弟”和它們的小宇宙》、《天涯若比鄰:尋找“地球2.0”》等文章,詳細介紹了尋找系外行星、地外生命,以及超級地球,甚至是地球2.0的各種方法及相應的計劃、項目。今天,我們將介紹另一個尋找系外行星及地外生命的路徑,而它的名字縮寫,恰好與40年前電影中的外星生物相同。本期賽先生天文,讓我們看看科學家如何用ET衛星來尋找宇宙中的E.T.們。
 
撰文 | 葛健、張輝、鄧洪平(上海天文臺)
責編 | 王馨心、呂浩然
 
“Are we alone?”
  人類蓬勃發展的動力源于自身內稟的好奇心,而那些探索未知世界的英雄之所以偉大,是因為他們不會將好奇心僅停留于幻想,而是勇敢地把它變成現實。古往今來,伴隨著人類宇宙觀翻天覆地的變化,歷代先哲都曾孜孜不倦地思考過人類在宇宙中的位置。
  科學(特別是天文學)的發展不僅僅推動了人類對宇宙的客觀認識,更讓人類意識到自己并不特殊——地球(或太陽系、銀河系)并不是宇宙的中心,人類也沒有理由是宇宙中唯一的智慧生命?!癆re we alone?” 這是一個橫亙人類文明發展史的問題。但站在今天的科技水平上,也許正確的問題應該是“Where are they?”——著名的物理學家費米(Enrico Fermi,1901-1954)提問(也稱“費米悖論”)。
  按照費米博士的量級估計,僅銀河系內就將有近百萬文明,如果其中一半的文明程度超過地球,那銀河系內就應該不難發現智慧的痕跡。然而時至今日,人類也從未發現過任何地外文明存在的真正可信證據,更不用說和人類有了真正接觸的智慧生命(如E.T. the Extra-Terrestrial 和 Contact 電影中描述的那樣)。
  對費米悖論的解釋非常多,這里不過多贅述。簡單回顧眾多解釋就會發現,以前人類只能被動地等待(接收)地外文明發出的信號,如果對方沒有能力(或者不愿意——例如黑暗森林理論)進行星際廣播,那人類自然得不到任何信息??墒侵袊芯涔旁捳f得好,“跑得了和尚跑不了廟”。得益于現代探測技術,尤其是空間技術的飛速發展,如今人類已經可以主動搜尋那些能夠孕育類地生命、支持智慧文明發展的行星了,我們稱之為——地球2.0。
  由于到目前為止,人類僅有地球這唯一的樣本(觀測上尚未發現真正意義上的地球2.0),因此,對地球在宇宙中出現率的測量很不確定,其取值范圍在國際上眾說紛紜(圖1)。而且,我們不僅無法回答我們是否是宇宙中唯一生命的問題,也不知道地球在宇宙中是多么普遍的存在。美國國家航空航天局(NASA)在2009年發射的開普勒(Kepler)科學衛星的最核心的目標就是要發現若干個地球2.0,從而回答這些基本問題。
圖1:目前對地球出現率的研究結果有著巨大的不確定性。圖片來源:參考文獻[1]
 
  然而遺憾的是,由于儀器(相繼失效的飛輪和很高的儀器噪聲)和科學(超過預期的恒星活動性噪聲水平)等多方面的原因,Kepler衛星雖然找到了新的行星種群:大量大小介于海王星和地球之間、位置大都在水星軌道以內的亞海王星和超級地球,但卻未能找到地球2.0。因此,為了能回答這些人類最關心的基本問題,并在宇宙中找到其他生命,甚至智慧文明,我們迫切地需要一個新的空間科學衛星來完成Kepler所未完成的、具有重大歷史意義的科學任務。
  中國科學院空間先導背景型研究支持的地球2.0空間巡天(簡稱ET)就是使用技術相對成熟的空間凌星法來搜尋地球2.0的空間衛星項目(圖2)。ET的核心目標是發現具有重大歷史意義的第一顆地球2.0,同時通過4年的搜尋試圖發現10-20顆地球2.0(圖3),并借此來首次精確確定地球這類行星的出現率。這一關鍵信息是人類估算銀河系內的地外生命乃至地外文明數量的基礎之一,因此,精確確定地球的出現率也將是一個里程碑式的發現。
圖2:地球2.0巡天空間衛星(簡稱ET)的核心科學目標就是通過技術相對成熟的凌星法來搜尋類太陽恒星宜居帶內的類地行星——地球2.0。圖片來源:NASA
 
何為地球2.0?
  為了找到這樣的第二個“地球”,我們先要思考地球有何獨特之處,使之能夠孕育生命,并在足夠長的時間里支撐生命的繁衍與進化。
  首先,地球圍繞著一顆相對溫和的恒星運轉,行星環境不至于被恒星表面頻繁的耀發所帶來的X射線和紫外線過度侵擾,使得生命難以產生和存活;其次,地球與恒星距離合適,使得行星表面可以允許液態水的存在(宜居帶);  第三,地球的表面是巖質的,能夠支撐生命的穩定發展和演化,同時它內部的結構允許一定的板塊運動和磁場活動,使得物質可以有序地循環;最后,地球還擁有適宜的大氣成分(如水、氧氣,同時氧氣也是生物存在的標識分子之一),不至于像金星一樣發生極端失控的溫室效應。
  基于對地球上生命的產生和演化的認識,地球2.0行星是那些分布在宜居帶中、繞著類太陽恒星轉,且與地球大小、質量(約0.8-1.25地球半徑和0.5-2地球質量)相當的行星。由于它們和地球的環境非常相似,地球2.0上如果存在生命,將最有可能進化出甚至與人類文明相近(至少是可以交流)的地外文明。
  在日常生活中,我們經常被“科學家發現新的宜居行星”這類新聞刷屏,但實際上這些報道中的宜居行星與真正的地球2.0相差甚遠。這些報道的宜居行星要么個頭太大(如在宜居帶中的超級地球),要么就是圍繞著小質量的紅矮星。對于這些超過2倍地球質量的超級地球,它們的表面多半都因為引力太大而導致布滿火山巖漿,同時也多半具有富含氫氣的濃厚大氣,這些都極不利于生命的產生和演化。
  相同地,對于繞著小質量紅矮星并處于宜居帶中的地球大小和質量的行星,它們的環境也和地球相差甚遠,不利于生命的存活。紅矮星大多數都有較強的耀斑活動,經常發生10-1000倍太陽強度、含大量對生命有害的X射線和紫外線的耀發,可電離行星的大氣,使之逐漸從行星上剝離。不僅如此,狹窄的紅矮星宜居帶還非??拷餍?,其中的行星會受到強烈的潮汐力作用,導致它們的表面被鎖定,使得只有其中的一面會一直對著恒星,行星對著恒星的那面多半炎熱干燥,而另一面可能嚴寒潮濕,行星的內部活動和大氣環流受到這種潮汐鎖定的嚴重影響,造成迥異于地球的環境(圖3)。這些都將非常不利于生命的生存。
圖3:目前共發現十顆地球大小位于”宜居帶”內的行星,但它們都以較小的周期圍繞活躍的紅矮星公轉,擁有和地球差異巨大的空間和大氣環境,它們的真實宜居性很不確定。ET衛星旨在利用凌星探索類太陽恒星宜居帶內地球大小的行星,并通過微引力透鏡法探測離主星更遠,甚至孤獨流浪的地球大小的行星。圖片來源:參考文獻[4]
 
尋找地球2.0的確認過程
  為了搜尋和確定適合生命生存與繁衍的地球2.0,我們需要確定其恒星是否為相對安靜的類太陽恒星、行星是否處于宜居帶內、其大小/質量是否和地球相似,以及是否擁有適宜的大氣環境等關鍵因素。我們需要完成四個關鍵物理量的測量:行星的軌道周期、大?。ò霃剑?、質量和大氣成分。其中行星的大小和質量同等重要,對推斷行星結構和內部組成缺一不可, 如trappiest-1 e、f、g行星[2]。只有那些在這四個維度上接近地球的候選者才是真正的地球2.0,為未來探索地外生命提供候選目標,也為研究地外生命打下堅實基礎。
  目前主要的行星探測方法有凌星法、視向速度法、微引力透鏡法、直接成像法和天體測量法(按探測到的行星數量排序)。其中凌星法通過測量行星從恒星前面掠過時,遮掩恒星所造成的周期性亮度衰減來確定行星的大小和周期。到目前為止,凌星探測已經發現了大約70%的已知的5千多顆系外行星,和圖3中6/10的地球大小的行星,是目前最有效和最精確的搜尋系外行星的方法。
  國際上已運行的空間搜尋系外行星的衛星全都采用成熟的凌星法,如歐洲的CoRoT和CHEOPS衛星,以及美國的Kepler和TESS衛星。同時,歐洲空間局計劃于2026年發射的Plato衛星也是采用凌星法搜尋和探測系外行星。美國21世紀初曾考慮使用基于空間天體測量法的SIM Lite衛星來搜尋近鄰系外行星,但因為技術極具挑戰性以及造價昂貴而取消了此計劃[6]。代替這一計劃的是基于成熟的空間微引力透鏡法的Roman衛星。微引力透鏡法能探測到處于火星軌道以外以及海王星以內的各類冷行星,還具有搜尋和探測流浪行星的優勢。
  各種探測方法都有各自的優勢和不足,只有互相配合才有可能充分刻畫所發現行星的特質,確認行星是否與地球相似,完成地球2.0確認的艱巨任務。例如,通過高精度的空間凌星觀測發現若干個地球2.0候選體,需要進一步通過地面大望遠鏡的后隨高精度視向速度觀測來測量行星的質量,然后結合凌星法測到的大小獲得行星密度,并借此來推斷行星的表面和內部結構以確定行星的宜居環境。同時,通過地面和空間大型望遠鏡(如30米望遠鏡TMT和詹姆斯·韋伯空間望遠鏡JWST)的后隨光譜觀測可測量凌星時的透射光譜,分析行星的大氣成分,尋找生命的痕跡(如圖4)。
  因此,空間凌星法結合地面和空間的后隨視向速度和光譜觀測非常有效,可以勝任確認地球2.0和搜尋生命跡象的艱巨任務。然而,通過視向速度或天體測量發現的地球2.0候選體極大概率(99.5%)不會恰好處于恒星和觀測者的視線之間,也不會發生凌星現象。因此這些候選體無法通過后續觀測測得行星大小和密度(利用目前技術手段),更無法通過透射光譜確定行星大氣成分。所以,這兩種方法很難確認地球2.0,更無法搜尋生命跡象。
 
構建完備的系外行星種群
圖4:凌星法通過探測恒星由于行星遮擋而造成的亮度衰減而發現行星,確認它們的大小和軌道周期。行星引力會造成主星晃動(虛線軌道),我們也可通過測量恒星位置移動(天體測量)或恒星光譜偏移(視向速度法)間接推斷行星的質量。然而只有發生凌星的行星(觀測者與行星軌道幾乎共面),才可以獲得半徑測量和大氣成分分析。注:圖中兩顆示意恒星代表不同方法探測到的行星,不屬于同一行星系統。圖片來源:作者供圖,credit:方童
 
  ET衛星的凌星望遠鏡將凝視Kepler衛星和它附近500平方度的天區中的120萬顆類太陽恒星和紅矮星,預計發現近三萬顆系外行星,是目前已知數目的6倍,這將極大地拓展系外行星的參數空間(圖5)。這些新行星樣本包含約五千顆類地行星[3/4/5],是目前已知類地行星數目的約15倍,其中大約有10-20個首次發現的地球2.0的候選體。對這些地球2.0的候選者的后隨視向速度和凌星光譜觀測將幫助確認其中的真正地球2.0,邁出尋找地外生命的關鍵的、不可或缺的一步。
  地球2.0的確認無疑將是探索宇宙的歷史豐碑,但要了解地球或者地球2.0的特性則需要我們理解類地行星整個種群如何分布、如何形成,以及它們如何受到其他因素(如恒星特征、環境,以及其他類型的行星)的影響等基本問題。凌星衛星更易探測到周期較短的行星,為了更好地了解長周期行星的性質,ET衛星還搭載了一臺微引力透鏡望遠鏡,通過分析恒星-行星引力透鏡在放大背景恒星亮度時的光變曲線,發現長周期,甚至宇宙中流浪的類地行星。
  ET的微引力透鏡巡天預計會探測到大約400個冷行星和600個流浪行星,其中大約1/5是類地行星,并且通過和地面的KMTNet望遠鏡的同時觀測確定大約300個冷行星和流浪行星(包括流浪地球)的質量。
圖5:ET的發現將在Kepler衛星的基礎上進一步拓展我們對系外行星種群的認知空間。橫坐標為行星軌道周期,縱坐標為行星半徑。黑點為Kepler發現的系外行星,有顏色的點是ET預計發現的系外行星。偏黃的點是比太陽稍大的恒星周圍發現的系外行星,綠色的點是在太陽大小相似的恒星周圍發現的系外行星,偏藍的點在比太陽小很多的紅矮星周圍發現的系外行星。圖片來源:參考文獻[3]
 
  ET衛星發現的這些微引力透鏡行星和凌星行星一起,將首次提供對系外行星的各種種群的完備樣本,幫助深刻揭示行星(包括類地行星)的多樣性和獨特性,對行星形成和演化的理解提供啟示。我們殷切期待ET能發現 ”第二個“地球,為人類回答”are we alone?"這一問題發出中國天文學家的聲音!
 
作者簡介:
  葛 健,中國科學院上海天文臺研究員(2020年至今),曾為美國佛羅里達大學終身教授(2004-2020),長期從事實測天文,天文技術和儀器研究。中國科學院空間先導地球2.0科學衛星背景型號研究的創始人和首席科學家、達摩近鄰宜居行星巡天的創始人和首席科學家、科幻片《星際迷航》中的瓦肯星系外行星的發現者、全球首位找到地外行星的華裔科學家、國際斯隆數字巡天三期MARVELS多目標地外行星巡天創始人和首席科學家等。
  張輝,中國科學院上海天文臺“百人”研究員、博士生導師。主要從事與太陽系外行星相關的理論研究和高精度測光巡天觀測,先后承擔了中國南極巡天望遠鏡(AST3)、南京大學的“時域天文臺”(TiDO)大視場巡天運行與數據處理工作。其工作曾入選2019年“全國十大天文科技進展”(中國南極系外行星搜尋);2020年獲得第一屆“江蘇省天文學會青年人才獎”與“江蘇省天文學會科學技術獎一等獎”(第三完成人)。目前擔任中科院先導項目“地球2.0(ET)”的科學應用系統負責人,承擔觀測數據的模擬、巡天結果的仿真和整體數據中心的運行工作。
  鄧洪平,中科院上海天文臺副研究員,2019年在蘇黎世大學獲博士學位,主要從事行星形成理論方面的研究。
 
參考文獻:
[1] M. Kunimoto & J. M. Matthews, (2020), Searching the Entirety of Kepler Data. II. Occurrence Rate Estimates for FGK Stars, AJ, 159:248;
[2] Grimm, S. L.,  Demory, B. et al., (2018), The nature of the TRAPPIST-1 exoplanets, AA, 613,68;
[3] Ge, J., Zhang, H., Zang, W.C. et al., (2022a). ET White Paper: To Find the First Earth 2.0, arXiv:2206.06693, https://arxiv.org/abs/2206.06693;
[4] Ge, J., Zhang, H., Deng, H., Howell, S.B., the ET team, (2022b), The ET mission to search for Earth 2.0s, The Innovation, doi: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100271
[5] Ge, J., Zhang H. Deng, H.P., et al. (2022c), "The Earth 2.0 Space Mission for Detecting Earth-like Planets around Solar Type Stars", Proc. SPIE, 12180-41, in press.
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Interferometry_Mission
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