尹懷勤

美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間3月6日，一枚頭頂著“開普勒”太空望遠(yuǎn)鏡的德爾塔II型火箭從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地騰空而起，并于發(fā)射62分鐘后在721千米高空成功實(shí)現(xiàn)鏡箭分離，將望遠(yuǎn)鏡送上太空預(yù)定軌道?！伴_普勒”太空望遠(yuǎn)鏡最終定點(diǎn)成功，開始其尋找太陽系外銀河系內(nèi)的類似地球的行星的希望之旅。

已發(fā)現(xiàn)的太陽系外行星

在宇宙中尋找類地行星和地外文明，是人類自古以來就懷有的愿望。自1995年10月6日兩位瑞士天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽系外第一顆行星以來，人類看到了實(shí)現(xiàn)這一愿望的光明前景。從那時(shí)起，世界科學(xué)界加快了發(fā)現(xiàn)系外行星的步伐。

根據(jù)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)，宇宙約有1250億個(gè)星系。銀河系僅是其中的一個(gè)普通星系，太陽僅是銀河系3000億顆恒星中的一顆普通恒星，地球僅是太陽系8大行星中的一顆中等個(gè)兒的行星。這大大增強(qiáng)了科學(xué)家們尋找系外類地行星的信心。

地球之所以有生命并進(jìn)化出智慧的人類，主要是具有適當(dāng)?shù)臏囟?、大量的水和稠密的大氣。一定的溫度和水分乃是生命存活的必備條件。太陽系中日地平均距離1.496億千米，被定義為1個(gè)天文單位，這是使地球具有生命所需溫度的重要因素。同時(shí)，地球作為巖石行星，其本身的重力能夠吸引住海洋和大氣層。顯而易見，要在宇宙中尋找生命，就要搜索與恒星距離接近1個(gè)天文單位的類地行星。

1999年1月中旬，一個(gè)國(guó)際天文研究小組宣布，他們于1998年7月發(fā)現(xiàn)了太陽系外第一顆類地行星。該星距離地球2.5萬光年，直徑稍大于地球，質(zhì)量亦比地球稍重一點(diǎn)，并圍繞著一顆熱度與太陽一樣的恒星運(yùn)行，兩者距離在1～4個(gè)天文單位之間。天文學(xué)家尚無辦法證明它上面是否存在水或任何可以維持生命的要素，但其與恒星的距離對(duì)維持生命來說是恰到好處的。

截至目前，科學(xué)家共發(fā)現(xiàn)了342顆系外行星，其中僅有7顆類地行星，其他基本屬于體積較大、由氣體組成的類似木星的行星，均不適合孕育生命。發(fā)射“開普勒”太空望遠(yuǎn)鏡的目的，就是為了讓它尋找更多的系外類地行星，并查看是否具備存活生命的條件。

“開普勒”如何導(dǎo)星?

這臺(tái)以德國(guó)天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開普勒命名的太空望遠(yuǎn)鏡，外形呈圓筒狀，內(nèi)部裝有1臺(tái)迄今世界最大的光度計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但靈敏度極高。光度計(jì)是一臺(tái)直徑為0.95米的施密特望遠(yuǎn)鏡。在透鏡后面裝有一排由42塊電荷耦合器件即CCD組成的接收器。每塊CCD的尺寸為50毫米X25毫米，像素為2200×1024。這使整個(gè)接收器相當(dāng)于一個(gè)具有9461萬像素的數(shù)碼相機(jī)。望遠(yuǎn)鏡的頻譜帶寬為400納米～850納米，在此范圍內(nèi)可以探測(cè)目標(biāo)星球發(fā)射出來的光子數(shù)量的細(xì)微變化。觀測(cè)的數(shù)據(jù)將以連續(xù)的方式不間斷地存儲(chǔ)下來，每月向地球傳回一次。

由于銀河系恒星之間距離遙遠(yuǎn)，用直接觀測(cè)的辦法發(fā)現(xiàn)體積較小的類地行星非常困難，所以需要借助凌日現(xiàn)象進(jìn)行尋找。1999華人類發(fā)現(xiàn)首顆系外凌日行星后，證明采用這種方式行之有效。這一成果促使此前20年便巳提出的“開普勒”探測(cè)計(jì)劃獲得通過。“開普勒”太空望遠(yuǎn)鏡正是利用凌日現(xiàn)象這_原理開展觀測(cè)工作的。

天文學(xué)上所講的凌日現(xiàn)象，是指一顆行星在觀測(cè)者面前經(jīng)過其環(huán)繞恒星時(shí)遮住部分光線而出現(xiàn)黑點(diǎn)影像的情景。地球上的人類用肉眼即能偶爾看到金星或水星運(yùn)行到地球和太陽之間時(shí)形成的凌日現(xiàn)象?！伴_普勒”太空望遠(yuǎn)鏡將通過觀測(cè)凌日現(xiàn)象而發(fā)現(xiàn)系外類地行星。它選擇的目標(biāo)是銀河系天鵝星座與天琴星座之間的一小塊天域，每30分鐘對(duì)距離地球在586，8光年到2999，2光年范圍內(nèi)的10萬多顆恒星的亮度變化觀測(cè)一次，并予以記錄存儲(chǔ)。此天域是銀河系類似太陽的恒星最密集的區(qū)域之一，理應(yīng)擁有較多的系外行星，亦應(yīng)容易發(fā)現(xiàn)系外類地行星。

由于凌日現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間有限，即移動(dòng)的黑點(diǎn)影像從顯現(xiàn)到消失的整個(gè)過程用時(shí)較短，又要同時(shí)觀察大量恒星，這就要求“開普勒”太空望遠(yuǎn)鏡必須保證每半小時(shí)觀測(cè)一次。為了確保該鏡工作期間的視線不受阻礙和干擾，科研人員將它安排在位于地球外側(cè)的日地連線的平動(dòng)點(diǎn)上，讓其以與地球同樣的角速度圍繞太陽運(yùn)行，從而避開日光照射，能始終鎖定被選天域的目標(biāo)。因?yàn)樘柟獗坏厍蛩趽跽丈洳坏健伴_普勒”太空望遠(yuǎn)鏡，所以后者能夠更清晰地觀測(cè)既定的眾多恒星的凌日現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)壽命為3.5年的“開普勒”太空望遠(yuǎn)鏡，每次傳回的數(shù)據(jù)資料被地面站接收后，最終被傳送到美國(guó)巴爾的摩的太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)院，再由美國(guó)宇航局的阿姆斯研究中心進(jìn)行科學(xué)分析。從拍攝到的凌日現(xiàn)象的照片，能夠確定是否存在系外行星。科學(xué)家利用開：普勒行星運(yùn)動(dòng)定律，可以推算出該行星的質(zhì)量及它環(huán)繞恒星運(yùn)行的軌道。同時(shí)，通過凌日的程度、過程和恒星的大小，可以得知行星的輪廓尺寸。此外，在了解恒星的運(yùn)行軌道和溫度的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算出行星特定的溫度。弄清這些基本情況后，即可獲知該行星是否具有類似地球的自然環(huán)境和孕育生命的條件。

怎樣探索外星智慧生命?

由法國(guó)國(guó)家空間中心研制并于2006年12月27日被俄羅斯“聯(lián)盟2-1B”火箭發(fā)射成功的克羅特天文衛(wèi)星，是一個(gè)圍繞地球運(yùn)行的航天器。兩年多來，它雖已發(fā)現(xiàn)了7顆凌日行星，但僅找到1顆類地行星。美國(guó)耗資近6億美元研制的“開普勒”太空望遠(yuǎn)鏡，由于所處的太空位置特殊且靈敏度又極高，所以科學(xué)家對(duì)其寄予了空前的厚望，期待它能發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的類地行星。

科學(xué)家的急切心情是有道理的。因?yàn)樵?42顆已經(jīng)被定位的系外行星中，大多數(shù)是通過視向速度法被發(fā)現(xiàn)的，通過凌日現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的行星僅為58顆。兩種方法總共只發(fā)現(xiàn)了7顆系外類地行星，不足以進(jìn)行比較研究。

話說回來，即使“開普勒”太空望遠(yuǎn)鏡找到了系外類地行星，并不等于找到了外星生命，更不等于找到了地外文明?？茖W(xué)家要從中選擇像地球那樣具有巖石表面、擁有液態(tài)水和大氣層且溫度較為合適、體積也相當(dāng)?shù)男行沁M(jìn)行研究。同時(shí)，選出的類地行星要環(huán)繞長(zhǎng)壽命恒星公轉(zhuǎn)，因?yàn)樵杏蜕M(jìn)化需要漫長(zhǎng)的時(shí)間，幾億年壽命的恒星無法給它周圍的行星提供這樣的支撐條件。從地球出現(xiàn)生命到進(jìn)化為人類來看，這一過程用時(shí)長(zhǎng)達(dá)38億年之久。

對(duì)滿足上述要求的系外類地行星，要進(jìn)一步對(duì)其大氣組成進(jìn)行光譜分析。因?yàn)榇髿庵型瑫r(shí)含有氧氣和甲烷乃是存在生命的重要征兆，所以通過對(duì)恒星光線穿透行星大氣情況的分析，如果發(fā)現(xiàn)了上述特征的存在，就說明行星可能有生命跡象。充足的氧氣可使甲烷較快地轉(zhuǎn)變成水和二氧化碳，因此氧氣和甲烷同時(shí)存在，意味著甲烷有補(bǔ)充的來源。雖然產(chǎn)生甲烷的途徑可分為生物體和非生物體兩種，但終究給尋找地外生命提供了線索。美國(guó)宇航局和歐洲空間局計(jì)劃在2020年前發(fā)射用于觀測(cè)位于恒星宜居帶中的類地行星的航天器，主要目的就是對(duì)行星大氣進(jìn)行光譜分析。

找到了具有生命征兆的系外類地行星以后，人類就可用大型射電望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)其做進(jìn)一步搜查，探測(cè)它有無特殊的無線電波或激光信號(hào)，以判斷那里是否有達(dá)到技術(shù)文明水平的智慧生命了。不言而喻，只有發(fā)現(xiàn)了地外文明主人的存在，人類才能設(shè)法與其溝通信息。要實(shí)現(xiàn)這一美好期盼，需要做大量的多學(xué)科配套的研究工作，開普勒。太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)活動(dòng)僅是邁開的第一步?？茖W(xué)家希望它能開個(gè)好頭，能找到第二個(gè)地球，但對(duì)其結(jié)果卻又無法預(yù)計(jì)，這正是科學(xué)研究的魅力所在。

大多數(shù)科學(xué)家相信，隨著不斷地把已經(jīng)和即將掌握的最先進(jìn)的科技成果運(yùn)用到太空觀測(cè)上來，人類一定能在尋找地外生命和地外文明的工作中，從量變的積累達(dá)到質(zhì)的飛躍，最終發(fā)現(xiàn)新奇而又亮麗的宇宙新世界。

責(zé)任編輯龐云