再次尋找地外生命

尹懷勤

美國當地時間3月6日，一枚頭頂著“開普勒”太空望遠鏡的德爾塔II型火箭從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地騰空而起，并于發射62分鐘后在721千米高空成功實現鏡箭分離，將望遠鏡送上太空預定軌道。“開普勒”太空望遠鏡最終定點成功，開始其尋找太陽系外銀河系內的類似地球的行星的希望之旅。

已發現的太陽系外行星

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日兩位瑞士天文學家發現太陽系外第一顆行星以來，人類看到了實現這一愿望的光明前景。從那時起，世界科學界加快了發現系外行星的步伐。

根據哈勃太空望遠鏡的發現，宇宙約有1250億個星系。銀河系僅是其中的一個普通星系，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兒的行星。這大大增強了科學家們尋找系外類地行星的信心。

地球之所以有生命并進化出智慧的人類，主要是具有適當的溫度、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個天文單位，這是使地球具有生命所需溫度的重要因素。同時，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個天文單位的類地行星。

1999年1月中旬，一個國際天文研究小組宣布，他們于1998年7月發現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，質量亦比地球稍重一點，并圍繞著一顆熱度與太陽一樣的恒星運行，兩者距離在1～4個天文單位之間。天文學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維持生命來說是恰到好處的。

截至目前，科學家共發現了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。發射“開普勒”太空望遠鏡的目的，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”如何導星?

這臺以德國天文學家約翰內斯·開普勒命名的太空望遠鏡，外形呈圓筒狀，內部裝有1臺迄今世界最大的光度計，結構簡單但靈敏度極高。光度計是一臺直徑為0.95米的施密特望遠鏡。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。這使整個接收器相當于一個具有9461萬像素的數碼相機。望遠鏡的頻譜帶寬為400納米～850納米，在此范圍內可以探測目標星球發射出來的光子數量的細微變化。觀測的數據將以連續的方式不間斷地存儲下來，每月向地球傳回一次。

由于銀河系恒星之間距離遙遠，用直接觀測的辦法發現體積較小的類地行星非常困難，所以需要借助凌日現象進行尋找。1999華人類發現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”探測計劃獲得通過。“開普勒”太空望遠鏡正是利用凌日現象這_原理開展觀測工作的。

天文學上所講的凌日現象，是指一顆行星在觀測者面前經過其環繞恒星時遮住部分光線而出現黑點影像的情景。地球上的人類用肉眼即能偶爾看到金星或水星運行到地球和太陽之間時形成的凌日現象。“開普勒”太空望遠鏡將通過觀測凌日現象而發現系外類地行星。它選擇的目標是銀河系天鵝星座與天琴星座之間的一小塊天域，每30分鐘對距離地球在586，8光年到2999，2光年范圍內的10萬多顆恒星的亮度變化觀測一次，并予以記錄存儲。此天域是銀河系類似太陽的恒星最密集的區域之一，理應擁有較多的系外行星，亦應容易發現系外類地行星。

由于凌日現象持續時間有限，即移動的黑點影像從顯現到消失的整個過程用時較短，又要同時觀察大量恒星，這就要求“開普勒”太空望遠鏡必須保證每半小時觀測一次。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的日地連線的平動點上，讓其以與地球同樣的角速度圍繞太陽運行，從而避開日光照射，能始終鎖定被選天域的目標。因為太陽光被地球所遮擋照射不到“開普勒”太空望遠鏡，所以后者能夠更清晰地觀測既定的眾多恒星的凌日現象。

設計壽命為3.5年的“開普勒”太空望遠鏡，每次傳回的數據資料被地面站接收后，最終被傳送到美國巴爾的摩的太空望遠鏡科學院，再由美國宇航局的阿姆斯研究中心進行科學分析。從拍攝到的凌日現象的照片，能夠確定是否存在系外行星。科學家利用開：普勒行星運動定律，可以推算出該行星的質量及它環繞恒星運行的軌道。同時，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，在了解恒星的運行軌道和溫度的基礎上，可以計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境和孕育生命的條件。

怎樣探索外星智慧生命?

由法國國家空間中心研制并于2006年12月27日被俄羅斯“聯盟2-1B”火箭發射成功的克羅特天文衛星，是一個圍繞地球運行的航天器。兩年多來，它雖已發現了7顆凌日行星，但僅找到1顆類地行星。美國耗資近6億美元研制的“開普勒”太空望遠鏡，由于所處的太空位置特殊且靈敏度又極高，所以科學家對其寄予了空前的厚望，期待它能發現一定數量的類地行星。

科學家的急切心情是有道理的。因為在342顆已經被定位的系外行星中，大多數是通過視向速度法被發現的，通過凌日現象發現的行星僅為58顆。兩種方法總共只發現了7顆系外類地行星，不足以進行比較研究。

話說回來，即使“開普勒”太空望遠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。科學家要從中選擇像地球那樣具有巖石表面、擁有液態水和大氣層且溫度較為合適、體積也相當的行星進行研究。同時，選出的類地行星要環繞長壽命恒星公轉，因為孕育生命和生命進化需要漫長的時間，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。從地球出現生命到進化為人類來看，這一過程用時長達38億年之久。

對滿足上述要求的系外類地行星，要進一步對其大氣組成進行光譜分析。因為大氣中同時含有氧氣和甲烷乃是存在生命的重要征兆，所以通過對恒星光線穿透行星大氣情況的分析，如果發現了上述特征的存在，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變成水和二氧化碳，因此氧氣和甲烷同時存在，意味著甲烷有補充的來源。雖然產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。美國宇航局和歐洲空間局計劃在2020年前發射用于觀測位于恒星宜居帶中的類地行星的航天器，主要目的就是對行星大氣進行光譜分析。

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鏡和光學望遠鏡對其做進一步搜查，探測它有無特殊的無線電波或激光信號，以判斷那里是否有達到技術文明水平的智慧生命了。不言而喻，只有發現了地外文明主人的存在，人類才能設法與其溝通信息。要實現這一美好期盼，需要做大量的多學科配套的研究工作，開普勒。太空望遠鏡的觀測活動僅是邁開的第一步。科學家希望它能開個好頭，能找到第二個地球，但對其結果卻又無法預計，這正是科學研究的魅力所在。

大多數科學家相信，隨著不斷地把已經和即將掌握的最先進的科技成果運用到太空觀測上來，人類一定能在尋找地外生命和地外文明的工作中，從量變的積累達到質的飛躍，最終發現新奇而又亮麗的宇宙新世界。

責任編輯龐云