寻找美丽新世界

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 寻找美丽新世界 1897 年，法国画家保罗高更 失去了自己的女儿，贫病之中的他认为 自己的人生也即将走到尽头，于是画了 著名的我们从何处来？我们是谁？我 们向何处去？来对自己的人生进行总 结。 中国论文网 /7/view-12923877.htm 从整个人类文明的角度来思考高 更的三句生命之问，或许可以解释为： 生命火种真的来自地球吗？我们是宇宙 间孤独的存在吗？茫茫宇宙中还有没有 我们可以居住的星球？ 人对行星的了解，曾经一度被 限制在太阳系内。我们可以精确地计算 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 太阳系内各个行星的轨道，可以用铅笔 发现海王星。但是我们对太阳系内行星 了解得越多，有一个问题就会越来越重 要：行星，真的只在我们的太阳系中才 有吗？早在 18 世纪的时候，人们就已 经尝试过寻找太阳系外的行星了。只不 过由于当时技术所限，找到系外行星就 成了遥不可及的梦想。在此后的 200 多 年里，这个梦想一直都是人类难以碰触 的。 当时间来到 1988 年，寻找行星 的梦想第一次变得触手可及。这一年， 布鲁斯坎贝尔和他的合作者在其发表 的文章中提到，他们发现一颗恒星受到 了一些扰动，并含蓄地指出这个扰动可 能是由于围绕恒星转动的行星造成的。 虽然直到 2003 年其他的研究组才确认 了这个扰动确实是一颗行星造成的，但 是我们可以说，第一颗系外行星在 1988 年就已经被探测到了。1995 年， 人们确认了第一颗围绕主序星（例如太 阳就是主序星）运动的系外行星，名为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 “飞马座 51b”。第一颗行星竟然起名字 叫作 b，天文学家果然也是喜欢给自己 留有余地。在系外行星的命名系统中， 总是从 b 开始的。这跟电脑硬盘总是 从 C 盘开始有异曲同工之妙。 好事多磨，这之后的十几年间， 并没有很多令人激动的关于系外行星的 消息。然而，此后随着各类技术的进步， 尤其是“开普勒 ”卫星的发射，系外行星 的发现已经不再稀有。截至 2017 年 3 月，被确认的系外行星已达到 3000 多 颗，并且有 500 多个多行星系统。人们 对系外行星的关注度也越来越高。2017 年 2 月，美国国家航空航天局 （NASA） 的新闻发布会提到了位于宝 瓶座内的 TRAPPIST-1 恒星竟然有 7 颗类地行星，其中有 3 颗距离其宿主 恒星不远不近。也就是说，如果这 3 颗 行星上有水的话，是可以以液体形态存 在的。科学家们推测，这 3 颗行星是可 能孕育类似地球生命的地方。 随着越来越多的系外行星被发现， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 有些原来看起来很遥远的科幻小说中的 情节，也突然变得亲切起来。毕竟，人 类未来第一个星际飞行的目的地，很可 能就隐藏在现有的系外行星列表中。面 对玄学一般的生命起源问题和宇宙中其 他文明是否存在的问题，我们也似乎不 再深感迷茫，而是渐渐感受到来自太空 深处的一丝曙光。 系外行星的探测历程 行星，每个人都很熟悉，我们脚 下的地球，就是一颗岩石行星。抬头仰 望星空，有时候也会看到土星、木星这 些比地球大很多的气态巨行星。然而， 这些行星都处于太阳系内，距离太阳最 近的恒星是半人马座 Alpha，光也要穿 梭 4.37 年才能到达这么远的地方，如 果是飞机的话，要 500 万年才能到达。 实际上，大多数恒星距离太阳要比这远 得多。当我们以肉眼观察星空的时候， 是没有可能直接看到这样遥远的太阳系 以外的行星的。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 那么使用望远镜呢？现在望远镜 的种类其实非常多，有些望远镜的外观 甚至可能完全超乎大家的想象。不过我 们提到“望远镜 ”这个词的时候，主要是 指那种巨大的带着透镜或者反射镜的光 学望远镜。科学家使用光学望远镜探测 系外行星的梦想，正如开篇所说，持续 了接近 200 年。而现在，直接通过光学 望远镜看到系外行星的影像，早已实现。 例如，图 1 就是位于飞马座中的 3 颗行 星的影像。 然而，通过这样的直接影像寻找 系外行星并不容易。我们可以想象一下， 当晚上开车的时候，往往难以看清对面 开远光灯的车辆上的司机，这是因为车 灯太过耀眼。类似的，看清楚紧紧挨着 恒星的行星也非常困难，因为系外行星 的亮度往往是其宿主恒星的十亿分之一， 而且距离宿主恒星又相对比较近。不过， 科学家通过使用仪器遮住其宿主恒星等 方法，现在的望远镜还是可以看到行星 的。比如， “新世界任务 ”就是一个通过 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 对恒星遮挡进行系外行星研究的项目。 虽然直接看到系外行星的影像非 常困难，天文学家还是有各种各样的方 法来探测系外行星。这些方法主要基于 两种原理：第一种是当行星运行到其宿 主恒星和我们地球之间的时候，恒星的 光线会被行星遮挡，从遥远的地球看来， 恒星像是突然变暗了，这种方法叫作掩 星法;第二种是因为行星的存在，导致恒 星在天空中的位置有些很小的扰动，从 而导致我们观测到的恒星的光谱出现一 些变化，这种方法叫作径向速度法。 目前找到系外行星最多的“开普 勒”卫星，所利用的就是第一种方法， 也就是掩星法。虽然原理听起来很简单， 但是实际上操作起来非常困难，因为一 颗地球大小的行星对恒星遮挡的时候， 可能只产生万分之一的亮度降低。另外， 如果行星围绕恒星转动的平面垂直于我 们的视线，那么行星运行过程中并不会 对恒星进行遮挡，这种方法也是无效的。 掩星法的另一个缺点是，如果行星围绕 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 恒星的公转周期很长，可能我们对恒星 观测了很久，却没有等到行星恰巧对恒 星进行遮挡的时候，也就无从谈及恒星 亮度的变化了。 第二种方法，径向速度法，也并 非完美。所谓行星围绕恒星转动，其实 是恒星和行星围绕它们共同的质量中心 转动，只是因为恒星质量比行星大很多， 两者的质量中心基本上靠近恒星的中心， 所以恒星位置变化不明显。这就好比每 次气急败坏想要把对方扔出去的时候， 总会发现自己也会被甩开，如果对方体 重比较大，那基本上就会变成自己被甩 出去了。但是如果我们仔细地观测恒星 的光谱，恒星这种微小的前后摆动，会 在光谱上展现出来。光谱发生变化的原 因是由于多普勒效应。根据我们的日常 生活经验，当开着警笛的车辆朝我们开 过来的时候，音调往往会高一些，而当 这辆车离我们远去的时候，音调往往会 低一些。如果我们能够知道车辆停在我 们身边的时候音调的样子，那么原则上 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 我们就可以通过听警笛的声音来判断车 辆到底是离我们越来越近还是越来越远， 甚至还可以判断车辆的速度。类似的， 恒星往前或者往后摆动的时候，它发出 的光也会往更高频率或者更低频移动。 我们可以根据这种移动来判断是否有系 外行星。 当然，实际上用来探 测系外行星的方法并不仅仅局限于上面 提到的直接影像、掩星法和径向速度法， 还有诸如观测行星的引力场带来的光线 的变化等方法。 行星与生命 在已经确认的几千颗系外行星中， 最显著的特色就是系外行星多种多样。 不管是体积大小，还是公转周期、行星 密度，都是多种多样的。这些多样性也 促使我们思考这样一个问题：我们的太 阳系真的是独一无二的吗？ 实际上，太阳系并非独一无二。 在系外行星中，有不少是多行星的恒星 系，也有很多岩石行星。在文章开始也 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 提到了最近发现的 TRAPPIST-1， 这 颗恒星拥有 7 颗岩石行星，甚至有 3 颗 是处在温度很温和的轨道上。 所有这些发现，实际上使得“费 米悖论”变得更加重要：我们发现了这 么多行星，可是为什么我们还没有遇到 外星人呢？他们都到哪里去了？ 1950 年，著名物理学家费米听到 有朋友提到外星文明的事情，他觉得很 奇怪，就问了这样一个问题：“那他们 在哪里呢？” 费米问出这个问题的时候， 我们并没有观测到太阳系之外的行星， 在那样一个年代，这样的问题似乎只是 一个趣味思辨题目。现在，我们已经确 认了几千颗系外行星，而且这个数字还 在继续增长。时至今日，费米的这个问 题越来越重要如果有那么多的系外 行星，有些可能成为生命的栖居地，甚 至出现高等文明，我们为什么还没有与 这些文明相遇呢？ 或许在思考地球以外的高等文明 以前，我们应该退一步思考一个更加基 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 本的问题：我们发现的这些系外行星上 可能有生命吗？ 我们并不能够列举出所有可能的 生命形式，但是我们知道生命有一种已 经成功的形式，那就是地球生命。如果 系外行星具备多样性的话，很有可能生 命也是多样的，更不用说文明了。所以 天体生物学的努力方向也是多样的，当 然科W 家考虑最多的还是类地生命和 类地文明这样的范式。 现在用于评判一个行星是否（对 类地生命）宜居，有很多不同的标准， 而且新的标准也在不停地被提出。这些 标准主要涉及内容包括：是否是像地球 这样的岩石行星;环境温度是否可以存在 液态水;是否拥有大气层;是否适合（类 似地球上的）植被生长等。即便按照这 些标准，有些系外行星跟地球也是很相 似的。 观测行星的大气层，对于判断一 个行星是否宜居至关重要。行星大气的 观测可以提供给我们非常丰富的信息。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 通过观测它的光谱，我们可以了解行星 大气的密度、成分，是否存在云层、雾 气或者海洋，甚至是否有类地文明。 在当今的天体物理学杂志上，与 行星大气相关的论文数量非常多，说明 这是一个非常热门的研究课题。这些科 学研究主要的手段还是使用行星的光谱。 例如，系外行星运行到其宿主恒星前面， 这颗恒星的光会透过行星边缘的大气层 被我们看到，由于不同的物质分子会吸 收不同波长的光，我们观测到的恒星光 谱就会因为这些吸收而不同。通过观测 哪些波长被吸收以及被吸收的程度，就 可以推断大气中含有哪些分子及其含量， 从而断定其成分。预计于 2018 年发射 升空的“詹姆斯 韦伯” 太空望远镜的一 个任务，就是要对更多的系外行星进行 更加精确的光谱分析。 在行星大气观测过程中，最让人 感到兴奋的是，由于有些特定的分子是 很难在行星演化的过程中自行产生的， 而在人类文明的工业活动中很容易产生， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 所以通过追踪系外行星大气中这样的分 子，我们就可以推测这颗系外行星是否 有可能存在类似人类的工业文明。虽然 这可能是在众多可能的文明类型中一个 非常小的一个分支，但是这至少为我们 提供了一个机会。 林、阿巴德和勒布三位研究者曾 撰写论文讨论使用“ 詹姆斯 韦伯” 太空 望远镜来追踪这类分子的可行性。他们 选取的分子是四氟化碳和一氟三氯甲烷 这类工业污染物质，因为这些分子比较 容易从光谱中被分辨出来。当行星运行 到恒星前的时候，我们可以首先查看是 否有水蒸气、氧气和二氧化碳等传统的 类地生物所需要的物质;然后我们可以检 测是否有大量的甲烷和氮的氧化物，这 可能是外星文明大量使用化石燃料的第 一个迹象;在之后可以查看是否有气体的 工业污染的迹象，例如四氟化碳和一氟 三氯甲烷此类。通过这样的逐步筛查， 我们就可以初步估计某些系外行星是否 有使用化石燃料的高等文明存在。当我 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 们有足够的数据的时候，就可以分析这 些具有生命的行星在宇宙中的分布，从 而分析宇宙中生命的起源。 隐藏地球 著名理论物理学家斯蒂芬霍金 曾经提出警告，如果发现外星文明，不 要与其联系，因为可能存在未知的风险。 然而，通过上面的这些分析我们会发现， 在茫茫宇宙之中，一颗貌似孤独的行星 其实无时无刻不在释放大量的信息。因 此，我们自然会思考：如何保护地球不 被其他的高等文明探测到呢？虽然地球 的信息可能是通过某些人类科技尚未能 够企及的方式被外星文明探测到的，但 是作为保护自己的第一步，我们要考虑， 如何才能使地球免于被上文提到的方法 探测到。 来自哥伦比亚大学的研究者基平 和缇奇在一篇论文中讨论了使用激光来 保护地球的方法。如果在遥远的地方， 有一个高等文明正在使用掩星法来扫描 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 星空、寻找系外行星，这时候我们只需 要在每次地球运行到太阳和这个文明之 间的时候，朝这个文明的方向发射适当 强度和某些波长的光，就可以补偿地球 对太阳光的遮挡，这样对方就不会探测 到地球的存在了。论文作者估算，如果 使用激光的话，这类装置的耗电量只需 要一个小型核电站就足够了，从长远来 看，这样的装置显然是可行的。同样的 方法还可以掩盖地球大气光谱中的一些 分子的信息，通过向对方发射某些特定 波长的激光，就可以补偿地球大气中某 些分子对特定波长的光的吸收。 同时，这也从另一个方面提醒我 们，如果人类在对系外行星进行观测的 时候，发现了一些并不是十分自洽的情 形，那么就需要考虑是否是对方在尝试 使用一些方法来屏蔽我们的探测了。 一个新的时代 整个人类正处在一个巨大的历史 事件发生的前夕。系外行星带给我们的