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在銀河系內(nèi)，至少有 3 億顆宜居行星在圍繞著類日恒星公轉(zhuǎn)。這項研究成果發(fā)表于《天文學(xué)雜志》，是由來自美國國家航空航天局、搜尋地外文明計劃（SETI）研究所和世界各地其他科學(xué)家合作完成的。 搜尋宜居行星的思路是，按照地球和太陽的參數(shù)，在銀河系內(nèi)尋找類似的恒星系統(tǒng)，找到那些位于宜居帶上的 “宜居行星”。這些潛在的宜居行星至少要滿足兩個條件：一是其公轉(zhuǎn)的恒星和太陽具有相近的溫度和年齡；二是行星距離該恒星距離與地球到太陽距離相當(dāng)，即在宜居帶上。 在宜居帶上并不代表該行星宜居，但存在宜居的可能性。具體來說，宜居帶就是圍繞恒星軌道的帶狀區(qū)域，這個區(qū)域內(nèi)的行星，其大氣壓強(qiáng)和獲得的熱量能夠支撐液態(tài)水存在，因此被稱為宜居帶。 位于宜居帶是宜居的必要不充分條件。但這確實(shí)是一個尋找適合人類生存的第二家園的方法。 開普勒計劃的使命 這次科學(xué)家的最新研究成果，是基于開普勒太空望遠(yuǎn)鏡在 2009-2018 年之間收集的系外行星數(shù)據(jù)得出的。 圖｜開普勒望遠(yuǎn)鏡 （來源：NASA） 開普勒太空望遠(yuǎn)鏡在 2009 年 3 月由 NASA 發(fā)射升空，它的使命就是搜尋繞其他恒星運(yùn)轉(zhuǎn)且與地球大小相似的行星。通過使用光度計，在固定視場內(nèi)連續(xù)監(jiān)測 15 萬顆恒星的亮度，這些數(shù)據(jù)隨后傳輸回地球進(jìn)行分析。該計劃壽命最初定為 3.5 年，但是由于望遠(yuǎn)鏡持續(xù)出現(xiàn)故障，整個計劃一再延長，直到 2018 年，開普勒望遠(yuǎn)鏡正式宣布退休。 雖然命途多舛，開普勒望遠(yuǎn)鏡依然獲得了大量有價值的數(shù)據(jù)和觀測結(jié)果。開普勒計劃在一生中觀測到了 53 萬多顆恒星，并發(fā)現(xiàn)了 2800 顆系外行星。在 2015 年，NASA 公布了開普勒發(fā)現(xiàn)的位于宜居帶的 4 顆行星數(shù)據(jù)。其中，開普勒 438b、開普勒 442b 和開普勒 452b 接近地球大小，可能是巖石。第四個是開普勒 440b，是超級地球。 圖｜開普勒 440b 系外行星與地球相對大小 （來源：NASA） 這些行星有一個共同點(diǎn)，即可能存在液態(tài)水。例如開普勒440b，其距離地球850光年，半徑是地球的1.86倍，其軌道在宜居帶上。 雖然開普勒的使命完結(jié)，但后續(xù)的數(shù)據(jù)分析工作還在持續(xù)進(jìn)行。這一次，科學(xué)家處理了開普勒數(shù)據(jù)中推斷出來的一些棘手問題，特別是到底在銀河系中有多少類日恒星公轉(zhuǎn)軌道上有宜居行星的問題。在此前，相關(guān)研究給出的答案不一，從不足 1% 到超過 100%（一顆恒星周圍存在多個宜居行星）都存在。 導(dǎo)致分析結(jié)果懸殊主要有兩個原因：數(shù)據(jù)不完整，以及開普勒數(shù)據(jù)集中存在錯誤的檢測結(jié)果。這一次，參與數(shù)據(jù)分析的科學(xué)家們首次使用了完整的開普勒系外行星數(shù)據(jù)集，還是用了蓋亞（Gaia，即歐洲航天局繪制銀河系恒星的任務(wù)）提供的恒星數(shù)據(jù)。這一切都有助于提高最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低不確定性。在此之前，科學(xué)家們花了數(shù)年時間分析開普勒數(shù)據(jù)以剔除不確定性因素，確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?布萊森負(fù)責(zé)這項新工作。它的團(tuán)隊確定了銀河系中類日恒星的形成率和可能有巖質(zhì)行星（半徑是地球的 0.5 到 1.5 倍）繞其公轉(zhuǎn)的恒星數(shù)量，以及巖質(zhì)行星宜居的可能性。 圖｜系外行星概念圖 根據(jù)布萊森和他的團(tuán)隊預(yù)測，平均而言，銀河系中 37%-60% 的類日恒星至少有一顆可能宜居的行星繞其公轉(zhuǎn)。樂觀的話，這一數(shù)字可能高達(dá) 88%；保守估計，這一數(shù)字將降低到銀河系中類日恒星的 7%(即 3 億顆)。研究團(tuán)隊在這一基礎(chǔ)上預(yù)測，距離地球 30 光年的范圍內(nèi)，有宜居行星繞其公轉(zhuǎn)的類日恒星達(dá)到 4 顆。 布萊森對此評價說：“開普勒任務(wù)最初目標(biāo)之一就是把這個數(shù)字精確的計算出來，我們也一直打算這么做。” 言外之意，布萊森等人終于完成了開普勒定下的最初目標(biāo)，雖然距離開普勒望遠(yuǎn)鏡退休已經(jīng)過去了 2 年。 行星的宜居性和其表面是否存在液態(tài)水相關(guān)。大多數(shù)研究通過測量系外行星和朱恒星距離來判斷，距離過近或者過遠(yuǎn)都不合適。根據(jù)布萊森的說法，當(dāng)觀測一顆特定恒星時，可以通過其亮度判斷它對周圍行星傳遞的熱量，以此判斷是否宜居。布萊森還強(qiáng)調(diào)，如果只依靠距離判斷，是不精確的。除此之外，他的團(tuán)隊還會直接測量行星的真實(shí)溫度。 盡管布萊森團(tuán)隊表示這項研究的不確定性比此前要小，但依然很大。這主要是以為系外巖質(zhì)行星的樣本太小了。開普勒確定了 2800 多顆系外行星，其中只有一部分圍繞類日恒星公轉(zhuǎn)，用這個數(shù)字推斷銀河系中其他數(shù)億顆這樣的行星精度不理想。 但這只是第一步。開普勒計劃的全部意義在于，讓科學(xué)家弄清楚應(yīng)該把更多的資源投入到什么星體的研究中，才能找到地外生命。因為資金、設(shè)備和觀測時間都是有限的。同時，這些工具 (如美國宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡和歐洲航天局的柏拉圖望遠(yuǎn)鏡) 可以用來確定一個可能宜居的系外行星是否有大氣或任何潛在的生物特征，而這類研究可以幫助工程師設(shè)計更適合執(zhí)行這些任務(wù)的望遠(yuǎn)鏡。 尋找第二家園前提是保護(hù)好地球 開普勒衛(wèi)星在 2018 年退休后，NASA 緊接著啟動了 TESS（Transiting Exoplanet Survey Satellite）計劃。TESS 指的是太陽系外行星調(diào)查衛(wèi)星，于 2018 年 4 月由 SpaceX 的獵鷹 9 號火箭發(fā)射至預(yù)定軌道。相比開普勒衛(wèi)星，TESS 掃略的太空面積擴(kuò)大了 400 倍。 TESS 配備了四個廣角望遠(yuǎn)鏡和電荷耦合器件（CCD），每兩周將數(shù)據(jù)傳輸回地球。其還能傳輸有效曝光時間為兩小時的全幀圖像，科學(xué)家能夠以此搜索到意外的瞬態(tài)現(xiàn)象，比如伽馬射線爆發(fā)。 截止 2020 年 5 月，TESS 已經(jīng)識別出 1835 個候選的系外行星，其中 46 個得到了確認(rèn)。 人類從來沒有停止對地外文明和除地球外第二家園的探索，雖然這個過程充滿了挫折而且經(jīng)常是一無所獲。就在今年九月份，《澳大利亞天文學(xué)會出版物》（Publications of The Astronomical Society of Australia）雜志上的研究報告顯示，澳大利亞科廷大學(xué)研究人員使用 4096 天線陣列對廣泛的太空區(qū)域進(jìn)行掃描，希望能捕獲外星文明的無線電傳輸信號。在掃描了 1000 萬顆恒星后一無所獲，這次搜索的范圍是有史以來最大的一次。 因此，人類不禁要問，是否存在和地球一樣適合人類居住的系外行星，或者說，是否存在地外文明？ 科學(xué)家對此有過諸多的討論。一種解釋叫 “地球特異性假說”（Rare Earth hypothesis），支持該理論的人認(rèn)為形成生命需要多種事件和因素結(jié)合到一起，這意味著地球可能是宇宙中一個孤獨(dú)的存在。 還有科學(xué)家認(rèn)為，雖然外星文明可能很普遍，但是他們無法穿越星際距離，或者在掌握該技術(shù)之前就會毀滅。 根據(jù)德國天體物理學(xué)家和射電天文學(xué)家塞巴斯蒂安?馮?霍納（Sebastion von Hoerner）的說法，人類文明平均持續(xù)時間為 6500 年。在此之后，會由于外部原因或者內(nèi)部原因（精神或物理上退化）而消失。 三十年前，“旅行者一號” 飛抵太陽系邊緣，在永久關(guān)閉攝像頭之前，NASA 操控它回頭為太陽系拍攝了一張 “全家福”。在照片中，地球是一個 “暗淡藍(lán)點(diǎn)”，只占 0.12 個像素。 圖｜“暗淡藍(lán)點(diǎn)” 照片 美國著名天文學(xué)家卡爾?薩根在其著作《暗淡藍(lán)點(diǎn)》中，有這樣一段話： “再看看那個光點(diǎn)吧。那是此地，那是家園，那是我們。你所愛的每一個人，你所知的每一個人，你所聞的每一個人，曾經(jīng)存在的每一個人，都在它上面度過一生。我們的悲喜相加，千百個自以為是的宗教、意識形態(tài)和經(jīng)濟(jì)學(xué)說，每一個獵人與強(qiáng)盜，每一個英雄與懦夫，每一個文明的締造者與毀滅者，每一個國王與農(nóng)夫，每一對青春愛侶，每一對母親父親，憧憬的孩童，發(fā)明家與探險家，每一個德行崇高的教師，每一個貪污腐敗的政客，每一個 “超級明星”，每一個 “最高領(lǐng)袖”、人類歷史上的每一個圣人與罪人，都住在這里 —— 一粒懸浮在陽光中的微塵。” 人類探索宇宙的腳步不會停止，尋找地外文明和第二家園的宏偉計劃也會一代代繼承下去。但與此同時，保護(hù)好這唯一的 “暗淡藍(lán)點(diǎn)” 顯得更為重要 —— 因為這是迄今所知的唯一家園。 |
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