周濟林

2018年4月18日，NASA發(fā)射了一顆巡天衛(wèi)星，名為TESS，它的主要目標是尋找更多的太陽系以外的行星。

為什么要去尋找太陽系以外的行星？究其原因，還是回到那個至今仍未解開的疑問：人類從哪里來？又將要到哪里去？

著名科幻小說《三體》所描述的就是文明生存的競爭，也是居住地的競爭。書中“三體文明”處于半人馬座α星，是距離太陽最近的恒星系統(tǒng)。但由于它是一個三星系統(tǒng)，即由三顆恒星組成，運動并不穩(wěn)定。

當三顆恒星引力相對于行星不平衡時，就出現(xiàn)了小說中描繪的“亂紀元”世界：要么三個太陽同時出現(xiàn)，要么一個太陽都沒有，人們在煎熬中等待“恒紀元”出現(xiàn)，他們向往如地球一般安穩(wěn)的宜居家園。

類地行星并不都宜居

為什么我們已經(jīng)生活在地球這個安定的星球上，卻仍然要去尋找適合人類居住的行星？

因為人類不可能永遠生活在這個搖籃中，我們這是在為未來做打算。那么，什么樣的行星是宜居的？

第一，必須是類地行星，擁有固體表面。迄今為止我們所發(fā)現(xiàn)的行星，歸納起來可分為兩類：類木行星和類地行星。如果行星的質(zhì)量大于10個地球質(zhì)量，那么它就可以顯著地吸收氣體，形成類木行星;反之，小于10個地球質(zhì)量則多半是類地行星，因為它沒有機會得到更多的氣體。

第二，存在液態(tài)水，且位于宜居帶上。行星的宜居帶必須與主星之間有一個合適的距離，而這個距離的遠近取決于主星的大小。主星越小，與宜居帶之間的距離就越近，輻射也就越強，人類在這樣的星球上是沒辦法生存的。我們希望找到一個像太陽這樣的恒星，那么位于其宜居帶的類地行星就是“下一個地球”。

第三，主星輻射不能太強。地球之所以適合人類生存，是因為它遠離太陽，且星球內(nèi)部有液態(tài)核，形成一個磁場，從而保護了我們的生命。這也是人類的幸運之處。

改造火星只需一個陽光棚

要同時滿足這三個條件并不容易。與地球相比，我們的鄰居火星就不是那么幸運了，它雖然也處于太陽的宜居帶，但是現(xiàn)在卻沒有生命。

研究表明，火星以前可能是有生命的，后來由于某種原因，比如受到小行星的碰撞，把它的液態(tài)核撞沒了。而液核很多是帶電的離子，流動起來會產(chǎn)生磁場，沒了它，保護大氣的磁場也就消失了。所以，火星現(xiàn)在幾乎沒有大氣，也就不適合人類居住了。

有人提出，我們能不能改造火星，使得它適合人類居?。窟@當然是可以的，但所需要的成本非常大。關(guān)于改造的方法，我想最多有兩種。

第一種是小改造。搞個陽光棚，里面種點花花草草，這樣人在那里至少可以生存了。第二種是大改造。搞個液態(tài)核，讓它有磁場保護，但這個難度就太大了。

當然，仍然有人會去嘗試，比如馬斯克的“火星移民計劃”。我們不清楚這個計劃要付出多少代價，但至少他已經(jīng)算出了每個人去火星的成本，甚至連單程票價都出來了。如果真的可以實現(xiàn)，我建議大家最好是買往返票，因為這趟旅程也許會很寂寞。

地球“表哥”的發(fā)現(xiàn)

既然改造火星不大現(xiàn)實，那么人類便將目標轉(zhuǎn)向了太陽系以外。經(jīng)過人類的不懈努力，終于在1995年發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽系以外的行星，那么如何探測行星呢？

一種方法是視向速度法。大家都知道行星是很暗的，根本看不見，怎么辦呢？我們可以去看恒星。因為行星跟恒星繞著公共質(zhì)心在轉(zhuǎn)，所以我們觀測的那個恒星，它其實有個像身份證一樣的東西——光譜。光譜有很多譜線，如果這個恒星不動，譜線是固定在某個地方的;一旦恒星開始運動，那這個譜線也會移動。于是，第一個太陽系外行星就是這樣被探測出來的。

另一種方法是凌星法。凌星法是目前被廣泛應(yīng)用的系外行星觀測方法。它的原理很簡單，當行星正好從你的視線與恒星之間經(jīng)過時，你認真觀察恒星，就會發(fā)現(xiàn)它的光度發(fā)生變化，而且這個變化是周期性的。當然，這個變化的大小取決于行星的大小。例如，木星的大小是太陽的十分之一，所以它這個光度的變化就是百分之一。

TESS、James Webb、開普勒等，科學界發(fā)射的望遠鏡幾乎有一半都在尋找系外行星。在這里，要重點說下開普勒太空望遠鏡，在它短暫的“壽命”中，發(fā)現(xiàn)了超過三千個系外行星，這是人類文明一個重大的進步。

開普勒發(fā)現(xiàn)的行星中，有一個跟地球非常相近，可以說是地球的“表哥”，被命名為開普勒452B。它的主星也很像太陽，但是遺憾的是它離我們太遠了——1400光年。移民到這個星球的旅程很可能是單程的，非常危險。但無論如何，我們至少看到了希望，遠的已經(jīng)找到了，近的還會遠嗎？

那么，迄今為止，人類找到了多少個類地行星？

如果以半徑或者質(zhì)量這個標準來看，大概有700到800顆。但如果我們除去遠距離的那些，只統(tǒng)計一百個秒差距，也就是300光年以內(nèi)的類地行星，就只有30顆。把距離再放近一點，60光年以內(nèi)，這在天文上已經(jīng)很近了，這樣就只剩下10顆。

但真正離我們近的，在30光年以內(nèi)類似太陽這樣的恒星系，還沒有找到宜居帶行星。當然，我們有義務(wù)繼續(xù)尋找。

中國的巡天之路

前面提到了很多國外的空間項目，那么我們中國有沒有自己的巡天衛(wèi)星呢？

我和同事們也都提出了一些項目，比如為宜居的類地行星“拍照”。我在前面介紹過的類地行星都是沒有成像的，我們希望通過光干涉將行星和恒星分開來再去成像，先把它的圖片拍出來。

但是大家也知道，空間項目的周期很長，可能從你提出計劃到衛(wèi)星上天，花上十年的時間已經(jīng)很幸運了。那么，在此之前我們總要做些事情。

我們課題組參與了南極的一個巡天項目。那里冰天雪地，氣候寒冷干燥，條件非常艱苦，但這片大陸也擁有天文學家最喜歡的連續(xù)42天的極夜。

由于冬季氣溫很低，最低可達到零下83攝氏度，人在那里是沒辦法過冬的。所以，我們會先在頭一年的夏天派科考隊過去，把望遠鏡放置并調(diào)試好后離開，讓它工作一年，第二年夏天再去把數(shù)據(jù)“扛”回來，或者通過衛(wèi)星來傳輸。

通過這樣的觀測模式，我們這個課題組利用圖中這幾個望遠鏡，在2014年發(fā)現(xiàn)了200余顆高置信度的系外行星候選體，成為世界上第一個在南極天區(qū)發(fā)現(xiàn)系外行星的科考團隊。2017年，我們又在南極發(fā)現(xiàn)了最大批量的系外行星。

除此之外，我們在號稱“世界第三極”的西藏也設(shè)立了天文臺。位于海拔5100米的西藏阿里天文臺已經(jīng)建成了一半，其中有一個平臺，我們稱之為平行頂。在這里將放置五個小望遠鏡，進行系外行星的搜尋，期待能收獲好的結(jié)果。

最后，回到一開始提到的問題：人類為什么要探索宇宙？

這個問題答案很多，科研方向不同，回答自然也不同。從我的角度看，我們探索宇宙的目標，是尋找另外一個宜居的類地行星，尋找我們另外的家園。當然，這件事不是一蹴而就的，可能需要幾代人的努力。

摘自“造就”（微信公眾號：xingshu100）