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系外行星

2015-11-25张雪松

中学科技 2015年11期
关键词:开普勒外行星天文学家

张雪松

北京时间2015年7月24日凌晨,美国国家航空航天局(NASA)公布了一则重磅消息:根据开普勒空间望远镜观测的最新数据,天文学家在太阳系外的恒星宜居带上发现了迄今为止与地球最相似的一颗系外行星,并将其命名为开普勒-452b。这颗素有“地球2.0”之称的系外行星的发现,是人类在寻找“另一个地球”道路上的重要里程碑。

开普勒-452b的发现之旅

提到系外行星开普勒-452b的这一振奋人心的发现,就不得不提大名鼎鼎的开普勒空间望远镜。2009年,开普勒空间望远镜发射升空,此后对天鹅座和天琴座中大约10万个恒星系统进行了观测,并在2013年8月放弃修复前,发现了分布在约440个行星系中的1000多颗系外行星,此数量超过了此前人类探测到的系外行星的总和。

开普勒空间望远镜可以说是为探索系外行星专门设计的,它主要通过行星凌日现象间接探测到系外行星的“踪迹”,因此探测效率也大大提升。行星围绕太阳旋转经过日地之间,位于地球上的观察者会发现有黑点掠过太阳的现象,这就是天文学上所说的“凌日”。此后天文学家逐步推广了凌日的概念,使之也同样适合于太阳以外的恒星,当行星经过恒星与地球之间的连线时,地球上的观察者就会看到恒星被部分遮挡的现象。

系外行星距离地球十分遥远,近的半人马座α星也在4.3光年外,开普勒-452b更是远达1400光年,天文学家甚至发现了距离地球21500光年外的系外行星。天文学家主要通过凌日观测等间接方法探测系外行星,这就要求望远镜灵敏度极高并尽可能地避开杂光的干扰,因此开普勒空间望远镜特意发射到尾随地球的太阳轨道上,避免了地球散射光线的影响,它选定的观测方位是天鹅座和天琴座,不仅规避了太阳光的干扰,还尽可能降低了主带小行星和柯伊伯带小行星可能产生的遮掩。NASA还计划设计独特的“太空向日葵”大型空间望远镜,通过向日葵形的星光抑制器遮挡系外行星环绕的恒星的光

芒,更清晰地拍摄系外行星并进行研究。

事实上,NASA通过开普勒空间望远镜发现的系外行星中,不乏体积大小和地球更为相似的对象,例如系外行星开普勒-442b的直径约为地球的1.3倍,系外行星开普勒-438b更是只有地球的1.1倍,但它们无一例外都存在公转周期太短的问题,开普勒-438b只有35天,开普勒-442b也只有112天,并不适合人类生存。此外,直径为地球1.1倍的开普勒-186f处在适合液态水存在的“宜居带”,但它位于宜居带外侧,可能存在温度过低的问题,而且围绕旋转的恒星是一颗质量仅为太阳一半的红矮星,也并不适合生命的存在。

“地球2.0”?

行星开普勒-452b的发现令人振奋,主要是由于它在三个方面都接近地球环境:它的直径约为地球的1.6倍,公转周期约为385天,围绕旋转的恒星开普勒-452的质量与太阳十分相近,开普勒-452b行星到恒星的距离还和日地距离大致相当。NASA表示,开普勒-452b是人类确认的第一颗“和地球尺寸相近”、围绕“类似太阳”的恒星公转而且“轨道位于宜居带内”的系外行星。

开普勒-452b在行星大小、轨道周期和轨道半径上和地球极为相似,在媒体的报道中,它与地球的相似指数(ESI)甚至高达0.98,但将其视为“地球2.0”版本,恐怕还为时过早。ESI是天文学家研究系外行星的一个概念,它综合考虑行星半径、密度、温度等一系列参数,是通过量化方式表示行星与地球的相似度。

由于人类在系外行星观测能力上的局限,我们只能通过粗略估算系外行星的大小,距自身恒星的距离(地球的恒星即为太阳)等“简陋”的数据来推断系外行星的相关情况,但这与其真实的面貌可能会有不小的差距,并且不排除会出现差之毫厘,谬以千里的误判。可能正是基于这种不确定性,NASA的官方报道根本没有提及ESI这个指标。

相比媒体的乐观和极度渲染,开普勒-452b的发现者,NASA的态度还是非常严谨的,它只是精确指出了开普勒-452b在尺寸、轨道周期和轨道半径这三个方面和地球极为相似。开普勒-452b发现团队的负责人乔恩·詹金斯表示:开普勒-452b可以算是地球的“大表哥”,它能够为我们对地球环境研究的探究提供参考,为了解地球环境的演变提供机会。开普勒-452所在行星系的寿命约60亿年,这颗恒星辐射比太阳高20%,开普勒-452b行星接收的辐射比地球高10%。毋庸置疑,开普勒-452b行星能够让我们“预览”到地球十几亿年后的境况,有助于我们预测遥远未来的地球环境。

寻找类地行星

开普勒-452b行星的发现一度掀起轩然大波,但在找寻系外行星的道路上,这一切却绝非偶然。作为一种智慧生命,人类渴望探究宇宙奥秘,渴望找到另一个适合我们的生存空间。也正因为如此,天文学家们无不呕心沥血,投入巨额预算探索系外行星。无论是大受欢迎的科幻影片《阿凡达》,还是屡获殊荣的科幻名著《三体》,无一例外都描绘了系外行星上的宇宙生命,反映了人类对未知世界无限奥秘的探索精神

早在20世纪60年代,天文学家坎普就曾发表声明称距离地球约6光年的巴纳德星就存在一个或多个行星。由于巴纳德星距离太阳近并且可能存在行星,双重利好因素使它一度成为科幻界甚至科学界探究的热门。英国星际学会甚至为了一探究竟,提出了使用核聚变飞船探索巴纳德星的代达罗斯计划。尽管随着人类观测能力的提升,现在已经否定了巴纳德星存在行星的猜测,但在探究宇宙奥秘的过程中,我们已经发现了更多的系外行星,不过遗憾的是,它们多数是非宜居行星。

1995年,科学家们首次在主序恒星周围发现了一颗巨大的气态行星,这样的行星被称为“热木星”,它们体积大更容易被发现,但人类不可能居住在气态行星上。我们还发现了大量多行星系统,其中包括一些固体行星。固体行星更适合人类居住,但它距离恒星太近会被引力潮汐锁定,永远一面对着恒星,这种苛刻环境下人类是无法生存的,所以很多恒星周围的系外行星并不适合人类居住。类似的,内核冷却没有磁场的固体行星,大气层会被来自恒星的星风无情地吹散,这种地狱般的环境也不是适合我们居住的地方。液态水对我们人类来说是判断生命存在和适宜居住的重要依据,一颗距离恒星远近适中的固体行星,表面温度才可能正好支持液态水的存在,这也是现在判断宜居带的主要依据。

不过话说回来,太阳系宜居带内有酷热的金星和寒冷的火星,这说明宜居带行星的温度也很可能千差万别,或者说我们最多只能排除哪些行星不适合居住,而确认宜居行星是极为困难的工作。2012年,人类在距离地球更近的半人马座α星周围发现了系外行星的踪迹,而半人马座α星恰是《阿凡达》和《三体》所描绘的恒星系。遗憾的是,半人马座α星的系外行星公转周期只有3.2天,绝对不适合任何生命形式的存在。

结 语

时至今日,人类在寻找类地行星的道路上已经取得了巨大进展,开普勒-452b的发现就是其中的杰出代表。现如今,人类已经证实,系外行星在银河系中普遍存在,位于恒星宜居带内的行星也为数甚多,拥有地球的太阳系绝非银河系的孤本。

天文学家根据开普勒空间望远镜的观测结果分析,银河系内类似太阳或是更小的红矮星周围,仅仅在宜居带范围内就可能存在高达400亿颗与地球大小相近的行星,说不定这数百亿,甚至上千亿的行星中就隐藏着“另一个地球”,静待我们去发现。

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