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寻找外星生命20年内或有答案

更新时间:2017-09-20 14:26:22
作者: 毛淑德   沈志侠  

  

   编者按

   地球之外的茫茫宇宙中是否还存在着其他有智慧或无智慧的生命?许多人相信答案是肯定的。然而从事科学研究,不能只凭想象和感觉,更要看重事实证据。寻找地外生命存在证据的工具是天文望远镜。包括中国在内的国际天文学界将联手在美国夏威夷建造“三十米望远镜”(TMT)。它将让人类对宇宙的观测水平提升一个数量级,促进天文学领域的巨大进步。应用这一望远镜,人类有望在20年内知道,银河系内是否还有其他生命存在。

  

   展示人类无知的完美方程式

   如果可以俯瞰银河系,你将看到一个有着致密银心和多条旋臂的巨大螺旋盘面。据科学家估测,银河系是一个直径约10万光年,中心厚度约为1.2万光年的棒旋星系,拥有1000亿到4000亿颗恒星和大量的星团、星云,还有各种类型的星际气体和星际尘埃。

   我们赖以生存的太阳只是银河系千亿恒星中的一颗,在这样广袤的银河系中,人类是孤独存在的吗?是否还有和我们一样的智慧生命?1961年,美国国家射电天文台的天文学家德拉克(Frank Donald Drake)提出了一个用以估算银河系内智慧文明数量的公式,即著名的德拉克公式。这个公式的一种等效写法是:N=N*×fp×ne×fl×fi×fc×ft。

   在这个公式中,N表示银河系中可能与我们通信的文明的数量;N*代表银河系内恒星的数量,因为有恒星才能提供光照;fp代表恒星有行星的可能性,智慧生命不太可能生存在恒星的高温之中,存在于行星上的可能性更大;ne代表这个恒星系统中,适合生命生长的宜居带中行星的平均数;fl代表以上行星发展出生命的可能性;fi则代表着生命演化出智慧文明的可能性;fc代表着这种智慧文明具有和我们通信的能力的可能性;ft则代表着智慧文明整体存在时间在其恒星寿命中所占的比例,这是一个重要而难以捉摸的因子,文明能在多大程度上保持理性而不自毁?最乐观与最悲观的估计也许相差千万倍。

   德拉克公式并不是一个真正好的量化地外文明搜寻可能性的公式,但它给出了科学家在研究这一问题的过程中所必须考虑的主要概念。我们对这些因子的了解是如此之少,以至于这个公式被天文学家们称为“展示人类无知的完美方程式”。旨在搜寻地外文明的SETI计划尚未得到有意义的发现,人类发出的电波亦未得到回应,即使在科技高度发展的今天,公式中的后三项参数也只能根据地球这个唯一样本进行猜测。天文学家另辟蹊径,对前四项参数加以系统化的科学研究,探寻地外生命存在的可能。

  

   如何寻找外星生命

   对第一个参数即银河系的恒星数目的估计已可精确到千亿量级。生物的从无到有需要漫长的时间,一般认为,只有类似于太阳这样可稳定燃烧数十亿年的主序恒星周围才可能产生生命。恒星演化的早期和晚期,环境远比科幻小说《三体》中描述的世界更加狂暴,生命即使产生也注定难以存续。

   自1995年以来,天文学家已探测到1800颗围绕类太阳恒星运转的系外行星。随着样本的增大,系外行星系统形成理论不断发展,对第二个参数即恒星拥有行星系统的概率的估计将越来越准确。

   那么,哪些行星存在生命的可能性更大呢?这就涉及宜居带的概念。所谓宜居带是指行星距离恒星远近合适的区域,在这一区域中,行星恰到好处地接受恒星的辐射,既不会太冷,也不会太热。宜居带的计算没有完全统一的标准,比如在太阳系中,对动植物而言,只有地球位于宜居带上;而极端条件下的生物研究表明,对微生物而言,其宜居带或许可以囊括整个太阳系。比较广泛接受的宜居带被定义在可以存在液态水的区间。由于液态水被认为是生命生存所不可缺少的元素,因此如果一颗行星恰好落在这一范围内,那么它就有更大的机会拥有生命。此外,固体表面、能束缚住一定厚度的大气层等要求,对行星的质量和动力学提出了更多的要求,简单来说:类似地球。

   接下来,就是在这些位于宜居带的类地行星上寻找生命存在的标记物,比如氧气——氧气是很多反应发生的必要条件和催化剂,特别是对于生命过程而言;比如叶绿素,假如行星表面存在大量绿色植物,则可见光将被大量吸收,其光谱就表现出在近红外波段的突然上升,称为“红边(red edge)”现象。可以为生命体防护紫外线的臭氧、有机分子甲烷等等的存在亦可作为旁证。

   当然,以上这些都是基于我们现有的知识来推断的,也有可能最后证明是错误的。但无奈的是,我们只能沿着这条路往下走。

   银河系内恒星之间的距离以光年计,最近的也在数光年之外。以我们现在的技术手段,还无法到其他恒星系统去“实地考察”。因此,寻找外星生命最有力的工具就是天文望远镜。

  

   TMT,或许将有划时代的发现

   按照工作波段不同,天文望远镜可以分为伽马射线望远镜、X射线望远镜、紫外望远镜、光学望远镜、红外望远镜、射电望远镜等几种。在全波段天文时代,光学/红外波段因其信息最丰富,仍然是观测中最基本、最核心的波段。

   对地外生命的探测可分为两步:第一步,是宜居类地行星的搜寻;第二步,是对搜寻到的样本进行直接观测,寻找生命存在的标记物。

   当今最有效的类地行星搜寻者是NASA发射的开普勒卫星,但开普勒卫星只能探测大小,不能确认行星质量,故其结果被称为“候选体”。系外行星的搜寻和质量确认最常见的方法是视向速度法,即观测行星绕恒星运转所造成的恒星光谱视向速度周期性改变。对小质量的宜居带类地行星的探测当前只能做到太阳附近的寥寥几个样本,而较远的开普勒候选体所需的高精度高灵敏的视向速度监测当前望远镜还无法做到。

   而对系外行星的直接观测向望远镜提出了更极端的挑战。首先,行星距离其中心恒星很近,这就要求望远镜有很高的空间分辨率,才能将两个目标分开。其次,在一个行星系统里,恒星很亮,而它的行星则要暗很多,我们从地球望过去,就好像在太阳旁边找蜡烛。这就要求望远镜能分辨对比度高达107—109的目标。

   由美国、加拿大、日本、中国、印度多国参与建造的下一代地基大型光学-红外望远镜TMT(Thirty Meter Telescope),在以上两方面都将做出极大的建树(当然,它的能力将包括但绝不局限于系外行星探测)。TMT主镜直径为30米,由492块六边形镜面拼接组成,巨大的主镜意味着10倍于现行最大地面光学望远镜的集光面积/灵敏度。TMT集成了当今世界上最先进的望远镜技术,它采用多颗激光导星组成星座自适应光学系统,其空间分辨率/图像清晰度比哈勃太空望远镜高10倍。

   发现新行星,尤其是宜居带类地行星的竞赛,归根结底是望远镜集光能力、分辨率和测量精度之争。在这些能力上,TMT比当前最好的望远镜也有高达一个量级的提升。30米的口径,意味着TMT的探测深度比当前最好的10米Keck望远镜远3倍,也就是近30倍于Keck的空间探测范围,必将极大地增加宜居带类地行星的探测概率。在三大下一代地基望远镜(TMT、GMT、E-ELT)中,TMT是唯一建在北半球的一个,是多普勒卫星所发现的4000多颗类地行星候选体唯一和最好的后续观测确认者。

   TMT计划中的科学仪器PFI(Planet Formation Instrument)能够同时满足高分辨率和高对比度两大条件,可以对行星系统内区直接成像,来发现行星、直接观测行星辐射并研究行星形成过程。

   当前对系外行星大气的研究仅局限于几个公转周期小于10天的热木星和屈指可数的热超级地球。结合TMT的光学和红外波段、高分辨率和大口径,长周期低质量的宜居类地行星的大气观测将成为可能。我们将能够在行星光谱中寻找氧气、水、臭氧、碳、二氧化物、甲烷、叶绿素“红边”现象等等生命存在的证据或者至少是生命可能产生的环境。

   TMT将于今年在世界最好的观测台址之一——夏威夷莫纳克亚山开工建设,预计2022年建成。在这一巨型国际合作科学工程中,中国将占有10%的份额,即约10亿元人民币。这些投入将主要以承担光学系统、激光导星系统、科学仪器等TMT建设任务的“实物贡献”模式,用于国内相关研究院所的高技术研发。每一代天文望远镜的出现都是当时世界最高精尖技术的凝结。在建成分享对应份额的观测时间之前,我们将首先在技术上获得收益。

   随着TMT的建成和观测的积累,20年之内,人类将很有可能回答银河系中是否还存在其他生命的问题。但请注意:这仅仅是第一步,发现生命存在的标记物。至于这些生命是何种面貌、是否具有智慧,还要进一步深入研究。

   当然,如果没有发现,也并不意味着失败——对科学而言排除某些可能性也是一种进步。我们将调整思路、重新审视原有的理论是否正确,再根据新的理论去寻找其他可能性存在的证据。

  

   (毛淑德为中科院国家天文台“千人计划”研究员,此文根据他在“科学与人文”论坛上演讲的部分内容整理。)

  

  


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文章来源:光明日报2014年07月10日
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