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“开普勒”启航找“地球  

2013-11-02 03:14:10|  分类: 科學知識 |  标签: |举报 |字号 订阅

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美国发射新型轨道望远镜 全力寻找太阳系外生命迹象

“开普勒”观察视野在星空中的位置,图中的星座分别是天鹅座和天琴座,方形位置即“开普勒”所观察的区域。

欧洲南天文台拍摄到棕矮星2M1207(白色)及其行星2M1207b(红色)。

如果调转镜头,开普勒望远镜能看到地球上手电筒的光亮。

“开普勒”视野示意图。图中黄圈位是太阳,也就是“开普勒”所在的位置。以此为端点,它大概能看3000光年远。

地球之外还有生命吗?我们是孤独的吗?这是人类一直在问的问题。3月6日,美国国家航空航天局(NASA)发射了一颗名叫“开普勒望远镜”(Kepler)的航天器,它可望解决关于地外生命的一个最基本的问题:在太阳系之外还有类似地球的行星吗?
目标 专门盯住“小”行星

宇宙是个很大的地方,我们还了解得太少。科学家们一直在寻找着太阳系之外的行星。到现在科学家已经发现了超过300颗太阳系外的行星,其中只有很少一部分是地球大小的行星。但是这不能说明地球大小的行星在宇宙中的“存量”很少。这是因为,相对于木星那样的巨行星,地球太小了,只有前者质量的1/30到1/600,很不容易被发现。

“NASA Ame”研究中心的利索尔(Jack Lissauer)解释说,以前科学家的注意力集中在木星那样的气态大行星身上不是因为它们最常见,而是因为它们最容易被探测到,“这就好比你在夜里从远处看路灯,你看到的最多的昆虫是蛾子。其实可能有更多的小蝇在那里飞,但你看不到”。

那么,为什么要找这些“小蝇子”呢?因为我们想寻找生命。如果我们想要寻找生命的话,我们需要集中在生命可能会生根发芽的地方。为什么要寻找地球那样的行星,还是让我们从太阳系说起。
条件 生命繁盛需“类地”

太阳系中有三种行星:类地行星、巨行星和远日行星。类地行星包括水星、金星、地球和火星。类地行星离太阳相对较近,质量和半径都较小,平均密度则较大。类地行星的表面都有一层硅酸盐类岩石组成的坚硬壳层,有着类似地球和月球的各种地貌特征。木星和土星是行星世界的巨人,称为巨行星。它们拥有浓密的大气层,在大气之下却并没有坚实的表面,而是一片沸腾着的氢组成的“汪洋大海”,所以它们实质上是液态行星或气态行星。天王星,海王星,冥王星这三颗遥远的行星称为远日行星,是在望远镜发明以后才被发现的。它们拥有主要由分子氢组成的大气,通常有一层非常厚的甲烷冰、氨冰之类的冰物质覆盖在其表面,再以下就是坚硬的岩核。

我们所知的生命对环境都相当挑剔,为了支持生命,行星的大小很关键,如果它太小,它就不可能保持稳定的大气层;如果它太大,它巨大的引力会吸引来太多的陨星,而且它调节大气中的二氧化碳的能力也会受到影响。一个行星必须离它的“太阳”既不太近也不太远。如果太近,水会全变成水蒸气;如果太远,水又都会结冰。

所以,我们要找的肯定是娇小的类地行星(terrestrial),但它和类似地球的行星(Earth-like planet)还是有所不同的。前面说了,行星只有运转在不远不近的轨道上,才能保持其上的液态水。水星和金星离太阳太近,水被烤干了;而火星离太阳太远,大多数的火星水可能以冰的形式存在。

所以,我们最感兴趣的行星是“类似地球的行星”,它不但要比较“娇小”,而且还要在一个合适的轨道上运行。那么,开普勒望远镜如何完成这个任务呢?
方法 盯着太空找“凌日”

太阳系外类似地球的地球行星都很小,发现它们的最好方法是“凌日法”:在它正好挡在观察者和它的“母恒星”之间的时候,观察它的“母恒星”亮度的微小变化,这样就可以计算出这颗行星的大小和距离。

“开普勒”能同时看到10万颗恒星,并每隔30分钟测量一次它们的亮度。像地球那么大的行星正好挡在恒星和我们中间的概率大约是1/250,这样假设这10万颗恒星都和太阳一样大,每一颗恒星都有一个类地行星,那么“开普勒”能发现大约465颗类地行星。

“开普勒”必须要发现3次恒星变暗,才能确认这确实是行星引起的。所以科学家们认为最先发现的可能是近轨道的大行星,因为它们的运行周期比较短。地球要一年围绕太阳转一圈,而如果恒星类似太阳的话,它所拥有的类似地球的行星也应当一年转一圈,这样至少需要3年才能确认一颗这样的行星。
设备 完成任务有绝招

在地球大小的行星正好挡在我们和“母恒星”之间的时候,“母恒星”的光度会减少0.01%,这是个很小的星。要看清楚它们“开普勒”必须有绝活。

开普勒望远镜拥有人类发射的航天器上最大的相机,这个相机有95兆有效像素的CCD显像装置。它的基本原理和日常用的数码相机一样,但比一般的相机要清晰得多。开普勒望远镜有多厉害?如果它转过头来看地球的话,一个小镇的一个人在夜里熄灭手电筒,它都能探测出来。

科学家精心地设定了“开普勒”的轨道。它并不是一颗地球卫星,而是一颗太阳卫星,运行的轨道大致和地球公转轨道重合。这样,地球就不会挡住“开普勒”了。“开普勒”搜索的方向朝向银河系的中心,大约在太阳和银河系连线中点的位置。
期待 是否寻得皆成功

开普勒望远镜预计耗资6亿美元。在2006年1月,该计划因NASA的财政预算缩减而被推迟;后来又因为财政预算被推迟,不得不修改设计以求省钱。2009年3月6日,在卡那维拉尔角空军基地,开普勒望远镜被发射上天。

开普勒望远镜是人类对宇宙的第一次扫描。它不会发回哈勃望远镜那种特别漂亮的照片,而且它也不能直接探测到外星生命的存在,但它可以告诉我们是否存在着很多类似地球的行星———而这可能是外星生命存在的条件。

当然,谁也不能保证开普勒望远镜一定可以找到类地行星。NASA的科学家鲍鲁基说:“啥也没找到也是一种有趣的发现,这意味着我们在宇宙中是孤独的。”
寻找系外行星

太阳系外行星(简称系外行星,英语:extrasolar planet或exoplanet)泛指在太阳系以外的行星。自上世纪90年代首次证实系外行星存在,截至2009年2月,人类已发现340个系外行星。

历史上天文学家一般相信在太阳系以外存在着其他行星,然而它们的普遍程度和性质则是一个谜。直至上世纪90年代人类才首次确认系外行星的存在,而自2002年起每年都有超过20个新发现的系外行星。现在估计不少于10%类似太阳的恒星都有其行星 。

早在十九世纪便有天文学家声称发现系外行星,之后有多人宣布发现系外行星,但都未被确认。1992年,美国天文学家沃尔兹森及弗雷宣布发现一个围绕脉冲星PSR B1257+12的行星。这项发现迅速被确认,普遍认为这是首次对系外行星的确认。

截至2009年2月,人类一共发现了大约340个系外行星,另外已发现了20个拥有超过一个行星的星系,最早发现的一个为仙女座υ行星系统;另外亦有四个行星围绕两个脉冲星的情况。经红外线观测恒星盘亦显示在一些行星系统中也存在着数以百万计的彗星。

一般系外行星都是用“凌日法”等间接方法拍到,但也有直接拍到行星的情况。2004年7月,天文学家们利用欧洲南天文台的甚大望远镜阵列在智利拍摄到棕矮星2M1207及其行星2M1207b,这是第一颗被直接拍摄到而且被确认的系外行星。

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