地球只是驛站，人類(lèi)的下一個(gè)落腳點(diǎn)在哪里？

周濟(jì)林

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

為什么要去尋找太陽(yáng)系以外的行星？究其原因，還是回到那個(gè)至今仍未解開(kāi)的疑問(wèn)：人類(lèi)從哪里來(lái)？又將要到哪里去？

著名科幻小說(shuō)《三體》所描述的就是文明生存的競(jìng)爭(zhēng)，也是居住地的競(jìng)爭(zhēng)。書(shū)中“三體文明”處于半人馬座α星，是距離太陽(yáng)最近的恒星系統(tǒng)。但由于它是一個(gè)三星系統(tǒng)，即由三顆恒星組成，運(yùn)動(dòng)并不穩(wěn)定。

當(dāng)三顆恒星引力相對(duì)于行星不平衡時(shí)，就出現(xiàn)了小說(shuō)中描繪的“亂紀(jì)元”世界：要么三個(gè)太陽(yáng)同時(shí)出現(xiàn)，要么一個(gè)太陽(yáng)都沒(méi)有，人們?cè)诩灏局械却昂慵o(jì)元”出現(xiàn)，他們向往如地球一般安穩(wěn)的宜居家園。

類(lèi)地行星并不都宜居

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

因?yàn)槿祟?lèi)不可能永遠(yuǎn)生活在這個(gè)搖籃中，我們這是在為未來(lái)做打算。那么，什么樣的行星是宜居的？

第一，必須是類(lèi)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(lái)可分為兩類(lèi)：類(lèi)木行星和類(lèi)地行星。如果行星的質(zhì)量大于10個(gè)地球質(zhì)量，那么它就可以顯著地吸收氣體，形成類(lèi)木行星;反之，小于10個(gè)地球質(zhì)量則多半是類(lèi)地行星，因?yàn)樗鼪](méi)有機(jī)會(huì)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(gè)合適的距離，而這個(gè)距離的遠(yuǎn)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(qiáng)，人類(lèi)在這樣的星球上是沒(méi)辦法生存的。我們希望找到一個(gè)像太陽(yáng)這樣的恒星，那么位于其宜居帶的類(lèi)地行星就是“下一個(gè)地球”。

第三，主星輻射不能太強(qiáng)。地球之所以適合人類(lèi)生存，是因?yàn)樗h(yuǎn)離太陽(yáng)，且星球內(nèi)部有液態(tài)核，形成一個(gè)磁場(chǎng)，從而保護(hù)了我們的生命。這也是人類(lèi)的幸運(yùn)之處。

改造火星只需一個(gè)陽(yáng)光棚

要同時(shí)滿(mǎn)足這三個(gè)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(yùn)了，它雖然也處于太陽(yáng)的宜居帶，但是現(xiàn)在卻沒(méi)有生命。

研究表明，火星以前可能是有生命的，后來(lái)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(méi)了。而液核很多是帶電的離子，流動(dòng)起來(lái)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，沒(méi)了它，保護(hù)大氣的磁場(chǎng)也就消失了。所以，火星現(xiàn)在幾乎沒(méi)有大氣，也就不適合人類(lèi)居住了。

有人提出，我們能不能改造火星，使得它適合人類(lèi)居住？這當(dāng)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(gè)陽(yáng)光棚，里面種點(diǎn)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(gè)液態(tài)核，讓它有磁場(chǎng)保護(hù)，但這個(gè)難度就太大了。

當(dāng)然，仍然有人會(huì)去嘗試，比如馬斯克的“火星移民計(jì)劃”。我們不清楚這個(gè)計(jì)劃要付出多少代價(jià)，但至少他已經(jīng)算出了每個(gè)人去火星的成本，甚至連單程票價(jià)都出來(lái)了。如果真的可以實(shí)現(xiàn)，我建議大家最好是買(mǎi)往返票，因?yàn)檫@趟旅程也許會(huì)很寂寞。

地球“表哥”的發(fā)現(xiàn)

既然改造火星不大現(xiàn)實(shí)，那么人類(lèi)便將目標(biāo)轉(zhuǎn)向了太陽(yáng)系以外。經(jīng)過(guò)人類(lèi)的不懈努力，終于在1995年發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽(yáng)系以外的行星，那么如何探測(cè)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(jiàn)，怎么辦呢？我們可以去看恒星。因?yàn)樾行歉阈抢@著公共質(zhì)心在轉(zhuǎn)，所以我們觀測(cè)的那個(gè)恒星，它其實(shí)有個(gè)像身份證一樣的東西——光譜。光譜有很多譜線(xiàn)，如果這個(gè)恒星不動(dòng)，譜線(xiàn)是固定在某個(gè)地方的;一旦恒星開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，那這個(gè)譜線(xiàn)也會(huì)移動(dòng)。于是，第一個(gè)太陽(yáng)系外行星就是這樣被探測(cè)出來(lái)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(cè)方法。它的原理很簡(jiǎn)單，當(dāng)行星正好從你的視線(xiàn)與恒星之間經(jīng)過(guò)時(shí)，你認(rèn)真觀察恒星，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的光度發(fā)生變化，而且這個(gè)變化是周期性的。當(dāng)然，這個(gè)變化的大小取決于行星的大小。例如，木星的大小是太陽(yáng)的十分之一，所以它這個(gè)光度的變化就是百分之一。

TESS、James Webb、開(kāi)普勒等，科學(xué)界發(fā)射的望遠(yuǎn)鏡幾乎有一半都在尋找系外行星。在這里，要重點(diǎn)說(shuō)下開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡，在它短暫的“壽命”中，發(fā)現(xiàn)了超過(guò)三千個(gè)系外行星，這是人類(lèi)文明一個(gè)重大的進(jìn)步。

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

那么，迄今為止，人類(lèi)找到了多少個(gè)類(lèi)地行星？

如果以半徑或者質(zhì)量這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，大概有700到800顆。但如果我們除去遠(yuǎn)距離的那些，只統(tǒng)計(jì)一百個(gè)秒差距，也就是300光年以?xún)?nèi)的類(lèi)地行星，就只有30顆。把距離再放近一點(diǎn)，60光年以?xún)?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?xún)?nèi)類(lèi)似太陽(yáng)這樣的恒星系，還沒(méi)有找到宜居帶行星。當(dāng)然，我們有義務(wù)繼續(xù)尋找。

中國(guó)的巡天之路

前面提到了很多國(guó)外的空間項(xiàng)目，那么我們中國(guó)有沒(méi)有自己的巡天衛(wèi)星呢？

我和同事們也都提出了一些項(xiàng)目，比如為宜居的類(lèi)地行星“拍照”。我在前面介紹過(guò)的類(lèi)地行星都是沒(méi)有成像的，我們希望通過(guò)光干涉將行星和恒星分開(kāi)來(lái)再去成像，先把它的圖片拍出來(lái)。

但是大家也知道，空間項(xiàng)目的周期很長(zhǎng)，可能從你提出計(jì)劃到衛(wèi)星上天，花上十年的時(shí)間已經(jīng)很幸運(yùn)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(gè)巡天項(xiàng)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(xué)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(dá)到零下83攝氏度，人在那里是沒(méi)辦法過(guò)冬的。所以，我們會(huì)先在頭一年的夏天派科考隊(duì)過(guò)去，把望遠(yuǎn)鏡放置并調(diào)試好后離開(kāi)，讓它工作一年，第二年夏天再去把數(shù)據(jù)“扛”回來(lái)，或者通過(guò)衛(wèi)星來(lái)傳輸。

通過(guò)這樣的觀測(cè)模式，我們這個(gè)課題組利用圖中這幾個(gè)望遠(yuǎn)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(gè)在南極天區(qū)發(fā)現(xiàn)系外行星的科考團(tuán)隊(duì)。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?cè)谔?hào)稱(chēng)“世界第三極”的西藏也設(shè)立了天文臺(tái)。位于海拔5100米的西藏阿里天文臺(tái)已經(jīng)建成了一半，其中有一個(gè)平臺(tái)，我們稱(chēng)之為平行頂。在這里將放置五個(gè)小望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行系外行星的搜尋，期待能收獲好的結(jié)果。

最后，回到一開(kāi)始提到的問(wèn)題：人類(lèi)為什么要探索宇宙？

這個(gè)問(wèn)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(biāo)，是尋找另外一個(gè)宜居的類(lèi)地行星，尋找我們另外的家園。當(dāng)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(hào)：xingshu100）