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探索宇宙的新时代“开普勒”太空望远镜  

2013-11-02 03:03:26|  分类: 科學知識 |  标签: |举报 |字号 订阅

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美国东部时间2009年3月6日,美国“开普勒”太空望远镜在卡纳维拉尔角空军基地发射升空。这是世界上首个专门用于搜寻太阳系外类地行星的航天器。

在为期至少3年半的任务期内,“开普勒”太空望远镜将对天鹅座和天琴座中大约10万个恒星系统展开观测,以寻找类地行星和生命存在的迹象。

美国航天局公布的资料显示,“开普勒”太空望远镜携带的光度计装备有直径为95厘米的透镜,它将通过观测行星的“凌日”现象搜寻太阳系外类地行星。

所谓类地行星是指类似于地球的行星。天文学家认为这些行星上可能孕育生命,因而有研究意义。寻找类地行星面临的一大困难是缺乏观测手段,因为在类似太阳系的遥远星系中,恒星和行星的距离往往较近,恒星发出的强烈光芒会掩盖行星,使地球上的天文望远镜观测不到。
开普勒望远镜的5大特点:

1、开普勒望远镜是世界第一个真正能发现类地行星的太空任务,它将发现宜居住区围绕像我们太阳似的恒星运转的行星。水是生命之本,宜居住区恒星周围适合于水存在的一适宜的区域,在这种温度下的行星表面可能会有水池存在。

2、在开普勒望远镜三年半多的任务结束之前,它将让我们更好地了解其它类地行星在我们银河系到底是多少。这将是回答一个长久问题的关键一步,此问题就是我们是宇宙中惟一的么?

3、开普勒望远镜通过发现恒星亮度周期性变暗来探测太阳系外行星。 当我们从地球上某个位置来观察天空时,如果有行星经过其母恒星的前面,就能发现此行星会导致其母恒星亮度稍微变暗。开普勒望远镜更能洞悉这一情况。

4、开普勒望远具有太空最大的照相机,有一个95兆像素的电荷偶合器(CCD)阵列,这就像我们日常使用的数码相机中的CCD一样。

5、开普勒望远镜如此强大,以至于它从太空观察地球时,能发现居住在小镇上的人在夜里关掉他家的门廊灯。

美国航空航天局(NA《科学美国人》)的开普勒卫星,预计于北京时间3月7日中午11:48分发射升空,将为地外生命的搜寻翻开新的一页。这项以十六、十七世纪德国天文学家约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)的名字来命名的探测计划,将用三年多的时间来研究一批恒星,寻找恒星亮度上微弱的周期性变暗——这是恒星周围有行星围绕的迹象。尽管天文学家已经用这种技术(连同其他技术)在太阳系外发现了300多颗行星,但大都是质量较大、距离恒星极近的“热木星”,它们表现温度极高,根本不适合生命生存。开普勒卫星的优势则在于,它所携带的设备十分灵敏,能够检测到更小、更冷、更适宜生命生存、更类似于地球的外星行星。

在美国华盛顿卡内基研究院从事恒星及行星形成研究的行星科学家、开普勒科学团队成员艾伦·博斯(Alan Boss)在一本新书中称,这项任务将为寻找太阳系外的生命开启一扇大门。他说,如果运气好的话,开普勒卫星应当能够证明,仅在银河系中就存在数十亿颗可供生命栖息的行星,而在整个宇宙之中,类似银河系的星系至少有十万亿亿(10的21次方),多到无法尽数。我们就这本新书中的这一话题,对博斯进行了专访。

以下就是经过整理的访谈实录:
《科学美国人》:你的新书名为《拥挤的宇宙》(The Crowded Universe)。这个书名有什么意义?

这本书的主旨就是要证明,为什么有人会说宇宙中可能到处都存在着生命。我在这本书里提出的观点就是,我们已经知道地球之平凡可能令人难以置信——每一颗类似太阳的恒星大概都拥有几颗类似地球的行星,或者大致如此。至少在我看来,如果有如此之多可供生命生存的星球存在了50亿到上百亿年,其中大部分星球上某些东西开始发展变化就不可避免。

如果这些星球上已经出现了水,又有一些彗星携带氨基酸和其他能够演化出生命的有趣化学物质不断落入其中,你又如何能够阻止这些东西发展成某种形式的生命呢?

生命是一种非常顽强的东西,愿意在任何能够落脚的地方扎根,我觉得只要一有机会,生命就会起源于任何地方。或许不一定有斯皮尔伯格电影里的那种小矮人,但一定会存在某些类似古菌或细菌的微生物。它们会产生并释放氧气和甲烷之类的气体,而这些是我们可以在大气层中看到的。我们也许无法确定一颗行星上是否存在智慧生命或者恐龙,但我们至少可以确定那里是否存在黏液菌。因此,我们打算去寻找黏液菌。

开普勒卫星上的空间光度计(示意图)
《科学美国人》:开普勒卫星将于3月7日发射升空,寻找那些适宜生命生存的行星。你认为它会告诉我们些什么?

我打赌,它会告诉我们地球其实相当普遍。开普勒卫星将花3到4年的时间来调查100,000颗恒星。我们预期,1,000颗类地行星当中就会有一颗恰好可以从恒星前方经过,遮挡部分星光,从而被开普勒卫星察觉到。因此,如果每颗恒星都有一颗类似地球的行星,开普勒卫星就将看到大约100颗外星“地球”。不过如果我们错了,比方说,每100颗恒星才有一颗类似地球的行星,开普勒就可能只找到一颗“地球”——如果运气不好,甚至连一颗也找不到。如果1,000颗恒星中才有一颗恒星拥有“地球”,那开普勒卫星真的要非常幸运才可能有所发现。

开普勒卫星即将调查的恒星有十万颗,足以构成一个具有统计学意义的恒星样本,因此如果它真的发现了一些类似地球的行星,我们就会知道“地球”到底有多常见。这样,我们才能知道如何去规划下一阶段的搜寻任务,也就是在邻近恒星中寻找类地行星。开普勒卫星调查的恒星全都在几百光年以外,位于天空中的同一个方向。这就像我们先去研究另一座城市的一片街区,然后再回来调查我们的左邻右舍。开普勒卫星将告诉我们,必须搜查多少间“房子”,才能在我们周围找到生命。
《科学美国人》:考虑到我们的地球是目前所知的唯一一颗“地球”,我们又如何来推断到底应该存在多少颗“地球”呢? 首先,如果你跟研究年轻恒星的天文学家探讨这个问题,他们会告诉你恒星形成的时候,它本身所携带的角动量只有一丁点儿,这意味着恒星不可能吸积所有的物质,余下的物质会在恒星周围形成一个盘。从本质上来说,这样的物质盘是恒星形成过程留下的残渣,而行星系统正是在这些盘中形成的。事实上,所有的年轻恒星都拥有这样的盘,因此我们预期这些年轻恒星拥有行星系统至少是有可能的。

其次,那些研究行星形成过程的科学家发现,要让类似地球的行星无法形成实际上反而会比较困难。从某种程度上说,“地球”要比“木星”更容易形成,但外星行星普查已经告诉我们,拥有“木星”的恒星在所有恒星中所占比例至少有10%,甚至可以达到20%。因此,“地球”的存在应该更加普遍才对。

最后一条也是更加直接的证据:行星研究人员已经陆续发现了一类“超级地球”,它们的质量是地球的5倍、10倍甚至15倍,到主星的距离也比地球到太阳近一些。在类似太阳的邻近恒星当中,1/3的恒星拥有这样的“超级地球”。在人们谈论的任何一种行星形成理论模型当中,“地球”的数目都应该远远超过“超级地球”的数量,因此如果展开全面的行星普查,我们应该会找到许多颗“地球”。如果在我们已经调查过的恒星当中,30%拥有“超级地球”,20%拥有“木星”,那就意味着我们现在还看不太清楚的外星“地球”其实存在于每一颗恒星周围。这个说法很有说服力,从不同方面获得的所有证据全都指向同一个观点——“地球”其实相当普遍。
《科学美国人》:在最近一次谈话中,我发现你对宇宙中到底存在多少颗“地球”做了一些粗略的估计。

是的,这是非常粗略的估计,而且相当直接。基本上就是说,每一颗类似太阳的恒星都应该拥有一颗“地球”,或者大致如此。我们银河系中大约有1,000亿(1011)颗恒星。其中大多数恒星质量比不过太阳,许多恒星大概只有太阳质量的一半,不过这些恒星可能也被“地球”环绕。我可以这么说,几乎每一颗这样的恒星都应该拥有一颗类地行星,最多不过相差一两倍。因此,我们银河系中就拥有1,000亿颗“地球”。

接下来,我们来讨论整个宇宙。按照哈勃空间望远镜拍摄的深场照片,我又可以非常粗略地说,可观测宇宙中也许拥有1,000亿个星系。我还假设,这些星系拥有的行星系统与银河系一样,因为没有任何特殊理由可以认为我们的银河系会是一个特例。你或许会担心椭圆星系和旋涡星系拥有的行星系统会相差大约两到三倍,不过我们只是在粗略地估算数量级,这些差别可以忽略不计。

因此我可以说,宇宙中存在1,000亿个星系,每个星系大概拥有1,000亿颗恒星,也就拥有1,000亿颗“地球”,因此宇宙中“地球”的总数大概是100万亿亿(1022)——这个数字大得令人难以置信,却又合情合理。即使恒星拥有“地球”的可能性只有我刚才假设的千分之一,宇宙中也还拥有1,000亿亿(1019)颗行星。1,000亿亿对你来说够不够大呢?我讨厌说这个词,不过这确实是一个不折不扣的天文数字—— 一个只有天文学家在讨论宇宙时才有意义的、人类无法想像的巨大数字。或许,我们投在经济刺激方案上的美元金额也能够与之匹敌,一万亿美元的紧急财政援助正在向这个数量级靠拢。
《科学美国人》:如果我们对行星形成的假设没有错得离谱,开普勒卫星要花多少时间才会发现外星“地球”?

我猜,我们很快就会找到热木星,也许头一年就会找到几颗炽热的超级地球。不过类似地球的行星才是我们要找的真正财宝。这类行星围绕类似太阳的恒星公转,轨道周期大约是一年,因此你至少需要三到四年时间才能找到它们。

当它第一次经过恒星前方并遮挡部分星光时,开普勒卫星会察觉到恒星亮度“变暗”了一次。你可以说“很有趣”,但这没有任何意义。只有观察到第二次“变暗”,你才能说“这看起来这像是一颗行星,两次‘变暗’的时间间隔似乎是它的公转周期”,不过你还要等待第三次“变暗”,看它会不会如期出现。如果又观测到第三次“变暗”,你就可以松一口气—— 一系列时间间隔差不多相等的‘变暗’很有可能是一颗行星造成的,不过你或许应该更谨慎一点,等待第四次‘变暗’的发生。等到第四次“变暗”出现时,你已经观测好几年了

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