寻找地球2.0:咋就这么难呢?

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  【最近的地球2.0——邻居比邻星b】

  地球,人类的摇篮,贯穿我们的一生。

  但它不会永远是这样,只要一颗巨大的陨石就能将我们从地球表面上抹去。不仅是流星,我们的星球自身也将会改变。我们的星球可能会结冰,也可能会升温,超级火山可能会爆发……而且我们的太阳终将会死去。

  我们的地球实际上已经接近宜居带的尽头,为了能在这个宇宙中生存,我们需要一份保险单……去殖民其他世界。

  拥有多个被殖民的行星,确实符合我们人类自身生存的利益。那么我们能在银河系找到新家吗?我们能找到地球2.0吗?

  几个世纪以来,我们只知道太阳系中的为数不多的几颗行星。现在,天文学家在系外恒星周围发现了数千个新的世界——系外行星。

  科学家们正在大量地发现系外行星。系外的行星与恒星一样数量众多,而银河系中有数千亿颗恒星。但是在那么多的系外行星中,是否有某一个行星能够为人类提供新的发展机会,并在危险的宇宙中提供庇护所呢?

  2016年8月,天文学家宣布地球2.0比任何人预想的都要近……一颗围绕太阳最近的恒星红矮星比邻星运行的行星。

  我们最近的恒星邻居有一颗系外行星,它离我们只有4光年远。这意味着我们有可能会到达那里并对其进行探索。

  科学家们将这颗行星命名为半人马座比邻星b,简称比邻星b,一个看起来很像地球的世界。

  

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  比邻星b想象图

  从它对比邻星的牵引来看,科学家们知道它的质量是地球的1.3倍,它和地球差不多大。

  在科学家们所知道的系外行星中,大多数都是不适合居住的气态巨行星,像木星一样。但比邻星b的发现很罕见,虽然是一个地球大小的行星,但这个地球大小的行星可能不像地球。

  一个真正的第二个地球必须与它的恒星保持正确的距离,即在宜居带内,也有人叫它适居带。需要离恒星有一段距离,如果离恒星很近,那么这个地方会燃烧并蒸发所有的液体。

  但如果离恒星距离太远,那么离寒冷的地方也就不远了,所以这是一个特殊的区域。

  比邻星b在这个区域吗?它有液态水吗?

  比邻星b每11.2天围绕其恒星公转一圈,而地球则每365天围绕太阳公转一圈。

  之所以比邻星b的公转周期这么短,是因为这颗行星离恒星的距离比地球离太阳的距离要近得多。

  地球的轨道距离太阳约15000万公里,比邻星b的轨道比这近了20倍。距离它的恒星不到800万公里。

  你可能会认为比邻星b应该是一个油炸过的世界,一个被烧毁的外壳,但是比邻星b的“太阳”和我们的太阳很不一样。它的温度仅略高于2760摄氏度,温度只有太阳的一半,体积比太阳大约小了8倍,是小号的红矮星。

  比邻星b所围绕的小号红矮星其亮度和温度都要低得多,所以它可以在离它更近的轨道上运行,而温度和地球上一样。

  比邻星b围绕红矮星的紧密轨道运行,可能使这颗行星适合居住,但它与地球大不相同,这颗恒星主宰着天空,用一种陌生的红色辉光照亮着所有的海洋和山脉。

  

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  比邻星b星球表面想象图

  所以比邻星b可能就是我们一直在寻找的地球2.0。

  正当科学家们以为找到了适合人类居住的地球2.0,并为此感到高兴时,2017年,这颗昏暗的红矮星以一种科学家们从未见过的方式爆发了……用辐射摧残着星球,一个巨大的耀斑。

  它很像太阳的耀斑,但能量更大,事实上,它们比恒星本身还要耀眼。当我们太阳的磁场变得纠结时就会释放出强大的太阳耀斑。但比邻星超级耀斑的强度是太阳最强耀斑的10倍!

  在刘慈欣的科幻小说《流浪地球》中,比邻星就是地球的最终目的地。如果科幻成为现实,那么那时的人类肯定就要面对比邻星的这个比太阳强10倍的耀斑了。

  在一颗小号红矮星上,磁场可能比我们的太阳更复杂,这意味着当耀斑发生时它会释放出更多的能量。

  科学家们认为像这样的巨型耀斑是行星杀手。辐射会撕裂行星的大气层,这些巨型耀斑大约每年都会袭击比邻星b一次。

  红矮星非常喜怒无常,它们并不是它们的行星的合格父母。所以如果比邻星b在某一时刻确实有大气层,但它会被这些猛烈的爆发全部吹走,让比邻星b暴露在危险的太空中。

  大气会减弱光和阴影之间的温度梯度,所以在比邻星b行星上,有阳光的地方会非常热,但在旁边的阴影中,就会非常冷。

  如果没有大气层,比邻星b将是一片贫瘠的荒地。

  比邻星b,也许是迄今为止科学家们找到地球2.0的最好机会,而实际上是一个干涸的外壳。它失去了大气层,同是可能失去了它所拥有的水分,这仅仅是因为它离母恒星太近了。

  比邻星b可能是最近的系外行星,但它不是唯一的选择。

  【另一颗红矮星旁边的行星——trappist-1e】

  在一个无情的恒星系中发现地球2.0,可能是灭绝和生存之间的区别。

  我们的星球不会永远存在,人类的未来取决于一颗系外行星,问题是,在哪里?

  2016年,天文学家用新的凌日行星和星子小型望远镜(或称特拉普望远镜)扫描天空。他们寻找由行星的阴影引起的恒星闪烁。

  行星每绕每恒星运行一次,就会从它的恒星的圆盘前面经过一次,造成一个小型的日食,恒星的光线会暂时变暗一点。

  科学家发现了一颗附近的红矮星变暗,距离地球只有40光年。

  这是望远镜探测到的第一个外星系统——“trappist-1”恒星系。

  在某种意义上“trappist-1”的发现,对科学家们来说是一次巨大的突破,因为科学家们同时发现了七颗系外行星。

  

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  “trappist-1”恒星系想象图

  这七颗行星中有适合居住的吗?

  在trappist恒星系的世界里,气候可能与我们的太阳系一样,是多种多样的。最里面的可能非常热,甚至可以看到熔岩世界,在更远的地方,它们可能是冰的世界。

  但是中间的行星d、e、f,它们都是主要的候选者。令科学家们兴奋的是,有三颗围绕trappist-1运行的行星位于“宜居带”。

  它们与恒星的距离合适,所以表面应该有液态水。还有一颗行星,作为一颗新地球而引人注目。它的轨道距离它的母恒星只有435万公里,它就是“trappist-1e”。

  trappist-1e的成分表明,它可能有一个相当重要的铁核,就像地球一样。这样那里就有一个非常强大的磁场,就会和地球一样,trappist-1e也可以拥有一个保护性的磁场。可以让能够剥离大气层的严酷的恒星风和强大的耀斑爆发发生偏转。

  所以磁场是一个好东西,这是一种保护,防止受到所围绕的恒星邪恶力量的影响。

  与比邻星不同,trappist-1恒星看起来异常安静。trappist-1实际上是一颗非常古老,非常平静的恒星。它不会像比邻星那样有很多巨大的耀斑。所以这也许是一个更好的恒星系,在那里寻找一个类地行星,一个地球2.0。

  数据表明,trappist-1e可能有广阔的海洋,保护性的大气层,和适宜居住的温度。

  但是住在这里和在地球上完全不一样,因为trappist-1e恒星系与我们的太阳系非常不同。行星离恒星更近,因为它们离得更近,所以它们的轨道更快,也更小。在trappist-1e上,一整年只需要6个地球日。

  你能想象你每天都在飞快地撕毁你的日历吗?每过6天就是你的生日,每过6天就是你的结婚纪念日。一年连一个星期都不到。

  在这个陌生又陌生的世界里,探险家们将目睹前所未见的景象。在很多方面,这真的是一种科幻小说中的天空。

  在trappist-1e上,你可以抬头看到天空中的其他行星,就像我们能看到自己的月亮一样。你可以用肉眼分辨出行星上的陆地等地表特征。

  

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  trappist-1e星球表面想象图

  但是这个星球会不会好得让人难以置信呢?

  别忘了这颗可能适合居住的行星它离它的母恒星非常近,当有一个如此压缩的恒星系时,其他问题就会出现。

  其中之一就是潮汐锁定的可能性。trappist-1e的轨道距离恒星只有几百万公里,它的一侧很可能永远对着恒星。

  所以你可以想象一种情况:天哪,这是固定的一天,而且很有可能,在恒星的照耀下,整个大地是一片焦土。但在星球另一面,是一个永恒的夜晚。所以在这种情况下,可能就像像冰封的不毛之地。

  而trappist-1e的问题变得更加极端,如果有一个永久的昼面和一个永久的夜面,这个星球的夜面会变得非常冷,所有的东西都会冻结,包括大气层。

  trappist-1e的大气层中的气体在寒冷夜晚的那一面会冻结成固体冰。而在白天的那一边会燃烧殆尽,大气层变薄并最终消失。

  所以trappist-1e最终完全不适合居住。即使我们在恒星周围发现了一颗完美的行星,但恒星的类型和它的轨道位置可能会对这颗行星是否适合居住,产生非常重要的影响,尽管它有明显的潜力。

  寻找真正类地行星的工作仍在继续。

  在trappist-1恒星系中,我们发现了一个非常类似地球的世界,但其所处的轨道与太阳系行星不太相似,所以我们应该寻找的,也许是类地行星周围有颗类日恒星。

  【地球2.0还是金星2.0】

  所以要找到地球2.0,也许我们需要先找到太阳2.0。

  银河系——数千亿颗恒星的家园。从昏暗、爆炸的红矮星,到短暂燃烧的巨人。处于中间的是像我们的太阳一样的恒星。

  像我们的太阳这样的恒星,是平静而稳定的,寿命也很长。而宜居带距离行星足够远,使得行星避免了潮汐锁定。

  我们更有可能在类太阳恒星周围的行星上进行殖民。

  科学家们正在像我们的太阳一样的恒星系的可居住带中寻找行星,而且已经在那里发现了新世界。

  开普勒-452b就是这样的世界,它是一颗距离我们1800光年的系外行星,围绕着和我们太阳一样的恒星运行。

  

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  开普勒-452b想象图

  真的找不到比这更像地球的轨道了,一年大约有385天。我们地球是365天。这真的很像地球。

  这颗行星围绕它的恒星运行的距离,与地球围绕太阳运行的距离大致相同。又是一个非常像地球的地方。

  开普勒-452b位于其恒星的宜居带,所以如果那里有液态水,就可能有海洋、湖泊、河流、溪流,以及蓝天和白云的日子。听起来不错,但是开普勒-452b比地球大得多。

  开普勒-452b是地球2.0的候选行星,但它有点像打了类固醇的地球。这个星球比地球的质量大5倍,直径大约大了60%。

  科学家们称像开普勒-452b这样的大类地行星为超级地球。超级地球的大小可能是地球的1.5到2倍,质量可能是地球的10倍。

  这个超大的类地行星会是我们的第二家园吗?

  开普勒-452b除了其尺寸,其他方面似乎符合我们对地球2.0的许多标准。它围绕着一颗像太阳一样的恒星,它正好位于宜居带的中间。

  可是星球的质量与尺寸却是一个很关键的因素。开普勒-452b的大小对它的重力有很大的影响。由于其惊人的质量,其表面的重力大约是我们在地球上感受到的两倍。

  额外的重力会使殖民星球变得困难。你能想象得到的在地球上的任何你不喜欢做的家务事,在这样的星球上你会更不喜欢它。当垃圾桶的重量是地球上的两倍时,那就不好玩了。

  我们可能会被困在这个星球的表面,如果你要降落在这些超级地球的表面上,你会很容易降落到表面上。但要再上去就非常困难了,离开地球对我们来说已经非常困难了。

  想想我们巨大的引擎和火箭,这些不可思议的工程奇迹。我们要把它们发射升空,就需要两倍的能量才能离开开普勒-452b。

  更糟糕的是,开普勒-452b的大气层被认为与地球的大气截然不同。在某种意义上,这颗行星的大小以及它的质量将决定它的大气层是什么样的。

  如果有很大的质量和很大的重力,星球就可以抓住很多空气,大气层更大、更厚,密度更大,表面压力也更大。

  厚厚的大气层可以吸收恒星的热量,星球表面的温度将变得非常高。除此之外,还有巨大的大气压力。

  所以有可能这颗行星的大气层非常厚,导致温室效应失控。随着时间的推移,星球变得越来越热,也许科学家们发现的不是地球2.0,而是金星2.0。

  超级地球可能有一个很吸引人的名字,但它们强烈的重力会让我们难以生存,而且我们也无法在厚厚的大气层中生存。

  到目前为止,我们发现的所有行星都不适合居住。

  【有适合居住的卫星吗?】

  但是,谁说地球2.0一定要是行星呢?

  我们生活的宇宙从某种角度上讲,其实是一个宇宙射击场,每天都有行星死亡。像我们这样的备用行星真的是太难找到了,我们是不是找错了地方?

  有科学家认为地球2.0很有可能本身并不是一颗行星,而是一颗巨大行星的卫星。

  关于系外卫星,令人兴奋的是它们可能适合居住。这点在科幻作品中经常出现,比如在《星球大战》中,反抗军的基地就是在一颗卫星上。

  2017年,开普勒望远镜在8000光年外扫描到了一颗类日恒星。

  大卫·基平教授和他的团队观测到了正在凌星的系外行星——开普勒-1625b。

  

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  开普勒望远镜

  开普勒-1625是开普勒发现的成千上万颗行星中的一颗。这颗行星并没有什么特异之处,它是一颗像木星一样不适合居住的巨大气体行星,距离它的恒星比较远,显然是在一个接近圆形的轨道上。

  但它处于宜居带,像木星这样的巨大气体行星,肯定会有卫星。这意味着它的卫星也会处于宜居带。

  不幸的是,这些系外卫星非常难以观测,开普勒发现系外行星的方式确实与行星的大小有关。而对于卫星来说,它要困难得多,因为它更小所以更难探测。

  太阳系中最大的卫星是木星周围的木卫三,它大约是地球体积的40%。科学家们很少能探测到这么小的星球。所以,寻找系外卫星将是非常非常具有挑战性的。

  2018年,团队招募了强大的哈勃太空望远镜,并利用这些数据来寻找任何卫星的微小轮廓。

  

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  哈勃太空望远镜

  如果有一颗系外卫星绕着一颗行星运行,那么它有时会在行星凌星时走在前面,有时它会在行星凌星时走在后面。

  在凌星的时候,会在不同的地方看到一个小凸起。这个团队探测到了信号——不是一个,而是两个一起绕轨道运行的物体。

  这证实了迄今为止发现的第一颗系外卫星。

  然而通过进一步研究,科学家们发现尽管这颗行星和这颗卫星与恒星之间的距离可能是正确的,但这颗卫星和这颗行星都很可能是没有固体表面的气态星球。

  关于这颗卫星的详情请见笔者之前的科普文《千奇百怪的外星世界(下)》

  虽然这个卫星可能还不适合居住,但这是科学家们在银河系中寻找像我们一样的世界的重要一步。如果在系外行星周围发现系外卫星,这可能会极大地增加那里的宜居世界的数量。

  科学家们只需要更精确的测量,然后突然之间宇宙就会充满系外卫星。

  但是这些世界需要的不仅仅是看起来像地球。当科学家们在其他恒星周围发现类地行星时,每个人都很兴奋。

  但“类地”只是指它有多大,以及它与恒星的关系中是否能支持液态水。所有这些都很好,但还不够。一颗行星的组成可能决定我们的新家园的成败……这是完美世界和定时炸弹的区别。

  【真正的地球2.0的标准】

  对地球2.0的探索仍在继续,科学家们需要考虑的标准有:一颗类太阳的恒星;一个温度适宜的轨道;一个固体表面以及一个能够保留大气层的星球。

  但是一颗表面看起来像地球的行星,内部可能并不像地球。使我们的世界如此独特的原因之一是它的板块构造。它实际上调节着我们的气候。

  地球的气候取决于物质的循环,比如二氧化碳和水。分子通过活跃的板块构造和火山爆发在地球熔融的内部和表面之间移动。这些循环有助于调节地球大气的温度和成分。

  如果我们在那里发现另一个类地行星,而且它有地质活动,这意味着至少它有办法维持碳循环,以及所有这些让这个星球适合居住和可持续发展的自然现象。

  科学家们怎么知道行星内部发生了什么?

  其实可以在世界各地的山脉中找到线索。地球上这些地形特征表明这颗行星是活着的,而且在它的表面下仍有进程在发生。

  山脉是在行星的构造板块碰撞时形成的,即使系外行星离我们有好几光年远,天文学家也能计算出它们的表面是平滑的还是布满了山峰。

  如果星球的山脉伸出来了,根据行星的旋转位置,行星会显得稍微大一点或稍微小一点,这取决于所投射的剪影。

  这些光线上的微小变化可能是系外行星健康和活跃的迹象。但只有当行星在其恒星前面时,科学家们才能使用这种方法。

  如果天文学家可以利用星光本身来确定行星的地质情况呢?

  科学家们认为行星形成的时间和恒星形成的时间大致相同。它们都是由同样巨大的物质云团形成的。所以如果你测量一颗恒星的组成,那么取这些值并假设它们在某种程度上与行星相似似乎是合理的。

  天文学家可以计算出恒星中存在的化学元素,然后把它的光分成不同的波长,任何围绕这颗恒星的行星都有相似的化学成分。实际上组成成分是它是否适合居住的一个非常重要的部分,真正的成分是它的地质。

  岩石系外行星的化学元素都是由相同的基本成分组成——比如氧,硅和铝。改变成分的平衡就会得到非常不同的行星。

  如果我们对岩质行星的组成有一些了解,那么就可以利用它来提供线索判断一个世界是否存在板块构造。

  新的研究表明,含有过多硅和钠的系外行星形成的岩石类型与地球上的是不同的。形成的行星比较坚硬,在那里板块结构停滞,二氧化碳积累,会造成毁灭性的后果。

  没有活跃的地质活动,那么星球最终可能会形成一个威尼斯式的大气层。这意味着温室效应失控,天气变得越来越热,气体从岩石中被烤出来,没有办法把控制住它们。这对生命来说根本不是一个好地方。

  更糟的是,星球变成了一个高压锅,就等着爆炸了。

  如果我们改变一颗行星的组成,它就会影响它的构造系统。这完全改变了行星散热的方式,而热量会不断地积聚,然后可能会发生灾难性的地壳翻转。

  星球的固体星壳崩塌了,岩浆的海洋沸腾起来,温室气体使地表沸腾……于是一个潜在的新家园终结了。

  显然,科学家们需要知道这些行星的组成,然后才能开始声明这些行星是否真的适合居住。

  但是星球还需要一些东西像地球一样一个无形的盾牌保护它,免受太空的威胁,提供温暖和生命所需的水——大气层。

  寻找地球2.0已经找到了很多行星,但要想找到一个像地球一样的行星,它必须要打很多的勾。

  如果你真的在寻找地球2.0,那么你就必须找到一颗和地球的质量和大小相同的行星,围绕着一颗类日恒星运行,距离也差不多,有类似的大气层,还有大量的液态的地表水。

  在所有的要求中,系外行星的大气层是至关重要的。它能保护星球免受巨大的温度波动;能保护星球免受小行星撞击;能保护星球免受来自太空和恒星的危险辐射。

  大气层几乎是环绕星球的盾牌,保护我们免受外太空的伤害。但也必须要有合适的范围,如果弄错了,这颗行星的表面可能会有破碎,或有沸腾的表面环境。

  看看我们自己的太阳系,太阳的宜居带包括三个不同的行星:金星、地球和火星。但火星的大气层很薄也太冷了;金星的大气层太厚,也太热了。我们是唯一一个刚好合适的星球。

  到目前为止,天文学家们大部分都在猜测这些系外行星是否有大气层。因为要直寻找它们,寻找类地行星周围的类地大气层,是非常困难的。

  所以为了能够在恒星的强光下,观察这些大气的细节,需要非常精确的技术和精确的测量。

  天文学家通过观察恒星前面经过的行星来探测大气。当一小部分光照射在行星的边缘并穿过大气层,大气层中水、氢和二氧化碳等分子会吸收来自恒星的特定波长的光。如果能看到恒星的光穿过行星,也许就能推断出一些信息,关于它是否有大气层?大气层的性质是什么?有多热?它是由什么构成的?

  这就是科学家们如何能够确定大气层中的物质,表明星球是否适合生命生存的方法。

  到目前为止,科学家们还没有看到任何有我们可以居住的大气层的系外行星。

  【詹姆斯韦布太空望远镜】

  但也许就要找到了,因为哈勃太空望远镜的继任者詹姆斯韦布太空望远镜已经开始工作了。

  詹姆斯韦布太空望远镜,比哈勃望远镜强大七倍,它应该能让科学家们看到银河系中行星的大气层,并成为最终找到第二个地球的工具。

  詹姆斯韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope,缩写JWST)是美国航空航天局、欧洲航天局和加拿大航空航天局联合研发的红外线观测用太空望远镜,于2021年12月25日20时15分发射升空。2022年7月中旬,詹姆斯·韦布空间望远镜正式开工,并拍摄了第一批用于科学研究的照片。

  关于这个望远镜曲折的故事,笔者在此不再多说了,想知道的读者可以问一下度娘。

  科学家们要在这些大气中寻找的关键数据,是在电磁波谱的红外线部分。这是韦布设计工作的方式。

  詹姆斯韦布太空望远镜的一个非常重要的任务就是帮助科学家们寻找可能的类地行星。

  科学家们仍在寻找那个完美的地球孪生兄弟,每一天,都在接近找到它。

  现代天文学发展进步迅速。30年前,科学家们没有发现系外行星,今天,我们已经知道了成千上万个。

  通过下一代的仪器,科学家们将发现成千上万,数十万,甚至上百万的系外行星。所有这些都以离开地球为最终目标,让一种文明传播到了各个星球。

  科学家们正在努力探索地球,探索我们的太阳系,甚至银河系,科学家们将在很长一段时间内了解那些行星。人类的旅程才刚刚开始。

  

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标签: 地球 超级地球 系外行星 宇宙

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