寻找地外生命

寻找地外生命GeoffMarcy2008年10月12日银河系直径大约10万光年，其中分布着大约2000亿颗恒星。物理学定律：宇宙各处均相同。引力、电场和磁场、量子理论等物理规律是普适的；原子和分子的物理结构是一样的；宇宙中各处的二氧化碳分子也都是相同的。那么，我们的地球在宇宙中应该也不是唯一的！生物学定律：是否也是放之宇宙而皆准？水是地球生命所必须的，宇宙中的所有生命形式都需要水吗？DNA分子是生命的唯一解码吗？生命演化一定要往高智慧的方向发展吗？或许智慧只是庞大的生命系统中某一个细小分支而已，还存在着数以百万的其他生命形式。目前在整个宇宙中，我们只了解地球上的生物学。我们还需要找到更多的样本—或在太阳系中，或在更远的宇宙深处……在太阳系内搜寻（包括火星、木星及其卫星等），还没有找到生命存在的迹象。现在我们将视野从太阳系转向银河系……寻找太阳系外的行星：探测恒星摆动是搜索系外行星的方法之一，恒星的摆动来自于行星的引力作用。还有一种方法是通过恒星光谱的多普勒效应搜索系外行星。寻找系外行星的世界上最大望远镜：利克天文台望远镜、凯克望远镜、英澳望远镜。这是一张高分辨率阶梯光栅频谱仪的光路图。望远镜接收的星光（白色线条）通过准直镜（Collimator）后，照射到阶梯光栅（EchelleGrating）上，经分解（红色、蓝色线条）后再投射到CCD探测器上。对一个具有24兆像素的CCD来说，由一个土星大小的行星造成的恒星光谱的多普勒位移只有千分之一像素大小。我们需要探测极其微小的多普勒频移。要达到的精度：±1米/秒质量越小的行星越难被探测到。目前通过多普勒效应发现的最小质量行星其质量是地球的7.5倍，公转周期为1.94天。恒星HD12661具有2颗类木行星：质量分别是木星质量的2.5倍和1.9倍；公转周期分别是262.4天和1635.7天；两颗行星有微弱的相互作用。利克和凯克望远镜观测到的恒星55Cancri的视向速度变化情况。横轴：时间（Time，以年为单位），纵轴：视向速度（Velocity，米/秒）；摘自Fischer等人2007年发表的论文。利用傅立叶变换（FourierTransform）研究行星的公转周期。这是恒星55Cancri的视向速度的傅立叶频谱（FourierPower）。横轴：轨道周期（OrbitPeriod，以天为单位）；纵轴：功率（Power）；进行傅立叶分析后，能看到两个明显的周期，分别为14.6天、14年。恒星55Cancri的视向速度的傅立叶频谱（FourierPower）（续1），据此发现了第三颗行星，其公转周期为44.29天。恒星55Cancri的视向速度的傅立叶频谱（FourierPower）（续2），据此发现了第四颗行星，其公转周期为2.795天。恒星55Cancri的视向速度的傅立叶频谱（FourierPower）（续3），据此发现了第五颗行星，其公转周期为260.1天。我们将55Cancri系统与太阳系进行比较，发现两个行星系统很相似，均有多颗行星及一个较宽的间隙（译注：在太阳系内，这里是小行星带）。拥有5颗行星的55Cancri系统示意图。目前已知的多行星系统有27个，多行星系统看来是普遍存在的。已发现的215颗系外行星的轨道偏心率统计图。横轴：轨道半长经（SemimajorAxis），以天文单位（AU，即日地的平均距离）为单位，纵轴：轨道偏心率（OrbitalEccentricity）。圆轨道的偏心率为0，右下角的蓝十字表示地球。可见这些行星中，非圆轨道比圆轨道更普遍，它们的平均偏心率为0.25。导致非圆轨道的原因在于行星之间的相互引力作用。在距离主恒星2.5天文单位（即日地平均距离）以外，行星的轨道偏心率仍然偏高。可见，具有圆形轨道的行星只占很少数。这幅图展示了应用多普勒效应方法探测到的215颗具有较详细观测资料的系外行星（exoplanet）的质量分布。横坐标：行星的质量，以木星质量（Jupiter-Mass）为单位；纵坐标：数目。我们可以看出，图的左端行星数目较少，原因是质量越小的恒星越难被探测到。美国宇航局的三大行星探索计划目标是：寻找像地球这样的外星世界。开普勒计划（Kepler）：将首次系统地搜寻类地行星。空间干涉测量项目（SpaceInterferometryMission，SIM)：将寻找近距类地行星，并测量它们的质量和轨道。类地行星搜索者（TerrestrialPlanetFinder，TPF）：探测近距类地行星，分析其化学组成以寻找生命迹象。此外还有詹姆斯-韦伯空间望远镜（JamesWebbSpaceTelescope，JWST）：探索行星形成之谜。开普勒计划当行星公转时，会周期性地遮挡在恒星之前，使恒星的亮度变暗。开普勒项目将根据这一原理来搜索类地行星。开普勒预期将发现首个类地行星，并研究大约有多少比例的恒星拥有类地行星。开普勒空间卫星预计于2009年4月发射。开普勒空间卫星将寻找岩态行星，将对10万颗恒星进行巡天观测。发射日期：2009年开普勒探测器的搜寻天区：天鹅座（Cygnus）和天琴座（Lyra）附近天区。寻找近距离类地行星的空间干涉测量计划（SpaceInterferometryMission，SIM），将对近距（50光年以内）恒星进行观测，探测它们是否拥有与地球大小相当的行星。精度（Precision）：百万分之一角秒。探测方法：测量由（类地）行星的引力作用所引起的主恒星摆动。空间干涉测量望远镜对银河系内天体质量和运动的观测将达到前所未有的精度。SIM（空间干涉测量计划）探测方法：测量由行星的引力作用所引起的主恒星摆动。目标：发现首个类地行星，并确定其质量和轨道。SIM（空间干涉测量计划）目标是拍摄围绕其它恒星公转的类地行星照片；分析其物理性质和可居住性；它的温度，化学组成，是否具有液态水和陆地？类地行星搜索者（TPF）图中的白色亮斑是一颗高倍放大后的恒星照片（StaratHighMagnification），类地行星（Earth-likePlanet）被淹没在星光之中，只有把恒星的光芒遮蔽之后，它才会显露出来。有3种设计方案正在研究中。类地行星搜索者（TPF）与达尔文计划(Darwin)均是拍摄太阳系以外的“地球”。威力强大的“太空巨眼”能屏蔽恒星的强光，捕捉到黯淡的地球尺度大小的行星。特殊的光学设计：能使星光减弱到十亿分之一。光谱研究将揭示行星大气中诸如二氧化碳、水蒸气、臭氧和甲烷等气体的相对含量，由此来衡量行星的可居住性。我们的银河系（MilkyWayGalaxy）银河系中约有2000亿颗恒星，其中有行星环绕的超过15％，则银河系中大约有300亿个行星系统。迄今为止已探测到质量与木星、土星和海王星相当的行星。接下来我们会找到地球质量大小的行星吗？我们要找的是宜居（habitable）的世界对宜居的星球而言，液态水或许是一个要素。距离恒星太近的行星温度会过高，太远温度则又太低，距离适中，液态水才能长期保存。许多新发现的行星不是太热就是太冷，不适合生命生存。一个宜居的行星应该位于距离其主恒星合适的位置处，称为“宜居带”（HabitableZone），在此区域内生命有机体不会被损坏。在我们的太阳系内，水星白天的温度太高而夜晚的温度又很低，冥王星则昼夜处于冰冻状态。同时，行星的轨道要比较接近圆形，否则它与恒星间的距离将不是太近就是太远。这是一幅艺术家笔下的太阳系外行星图像。地球尺度大小的行星可能是相当普遍的，但是适宜居住的行星占多少呢？生命存在又需要哪些必须条件呢？地球上最“恶劣”的地方之一—美国黄石国家公园，是否适合生命生存？这里有：沸腾的喷泉（BoilingGeysers）酷寒的冬季（Freezingwinter）硫酸（Sulfuricacid）黄石国家公园的喷泉图片：酷似一口沸腾的大锅，温度达到了沸点（BoilingTemp）。黄石国家公园的沸泉，温度达到了沸点,ph值为2。细菌和藻类却在那里繁衍不息。生命可以在0～75摄氏度、酸度很宽的环境下繁衍。一种嗜酸的淡水单细胞红藻（CyanidiumCalderium）在摄氏65度以上、pH值小于5的自然环境中也能存活。还有一种叫Zygogonium的绿色丝状藻类也喜欢酸性环境。微生物的生命要素：行星（Planets）、有机分子（OrganicMolecules）、液态水（Water）、能量（Energy）（恒星、潮汐力和地热等能源……）。分子生物学家认为：“单细胞生物在宇宙中是普遍存在的。”我们的银行系中会有很多智慧生命吗？在我们的银河系中有300亿颗恒星有自己的行星系统，其中有一半比地球老。存在智慧生命的行星比例为多少？悲观者认为：百万分之一。那么在银河系中应该会有数千个拥有高级文明的行星系统。科幻电影《星球迷航》剧照。在银河系中还没有发现地球之外的智慧生命月球：没有发现外星飞船、坠毁的残骸、用作纪念用的碑或地标；火星：没有访客或部落聚居的痕迹；地球：是一个颗年龄为40亿岁的可爱行星……，不过也没有外星人来此定居。100多架望远镜：没有观测到外星飞船；夜空：没有发现外来飞船造成的伽马射线，也没有机器人探测器围绕太阳系飞行。地外文明探索（SETI）项目：40年来没有发现任何文明发出的无线电波。其他的高级智慧文明都在何处呢？假设：银河系中存在数千个高级文明社会，银河系中的星际移民用机器人太空飞船即可轻易实现。观测结果：未发现外星人，或其活动痕迹。结论：我们的假设可能存在缺陷。是什么原因导致我们过高地估计了银河系中存在智慧生命的可能性呢？—答案终有一天会水落石出！地球幸运地拥有智慧生命所需要的水量。地球的0.03%是水，它们来源于早期撞击地球的小行星和彗星。类地行星水量：小于0.01%为沙漠；大于0.05%则为泽国。大部分岩态行星不是沙漠就是泽国—没有技术生命（TechnologicalLife）。智慧也会随时间演化吗？如果是，物种将变得更聪明。昆虫将学会数学，猫咪将能够演奏肖邦的乐曲。或许，智慧并不被生命特别偏爱。如果50亿年中会出现1000个文明，那么每个文明的平均持续时间需大于500万年，才可能会有两个文明同时共存。典型的文明社会持续时间有多长呢？不妨假设人类在100年里生存下来的几率是0.9999，那么在500万年的时间里人类的存活概率将是0.007。当发现一个类地行星后，我们接下来会做些什么呢？地外文明探索（SearchforExtraterrestrialIntelligence，SETI）新射电望远镜：正在建设中的艾伦射电望远镜阵列，位于拉森山脉，将搜寻来自地外文明的无线电波。（左图）你会把望远镜指向何处？当然是锁定宜居的类地行星。（右图）总结在2～3年内我们将探测到第一颗类地行星。新望远镜：搜寻类地行星和地外文明。原始生命：普遍存在；技术生命：非常稀有？