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周濟(jì)林 不久前，在“造就Talk”演講中，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院院長周濟(jì)林為我們講述了人類不斷尋找宜居系外行星的歷程。 什么樣的行星是宜居的 今年4月16日，美國國家航空航天局發(fā)射了一顆巡天衛(wèi)星，名為TESS（凌日系外行星巡天衛(wèi)星），它的主要目標(biāo)是尋找更多的系外行星。 為什么我們已經(jīng)生活在地球這個安定的星球上，卻仍然要去尋找適合人類居住的行星？因?yàn)槿祟惒豢赡苡肋h(yuǎn)生活在這個搖籃中，我們要為未來做打算。 那么，什么樣的行星是宜居的？ 第一，類地行星，擁有固體表面。迄今為止我們所發(fā)現(xiàn)的行星，歸納起來可分為兩類：類木行星和類地行星。如果行星的質(zhì)量大于10個地球的質(zhì)量，那它就會顯著地吸收氣體，形成類木行星；反之，小于10個地球質(zhì)量的則多半是類地行星，因?yàn)樗鼪]有機(jī)會得到更多的氣體。 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合適的距離，而這個距離的遠(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)，人類在這樣的星球上是沒辦法生存的。 第三，主星輻射不能太強(qiáng)。地球之所以適合人類生存，是因?yàn)樗h(yuǎn)離太陽，且星球內(nèi)部有液態(tài)核，形成一個磁場，從而保護(hù)了我們的生命。 改造火星需一個陽光棚 相比之下，我們的鄰居火星就不那么幸運(yùn)了，它雖然也處于太陽的宜居帶，但是目前卻沒有生命。 研究表明，火星以前可能是有生命的，后來由于某種原因，比如受到小行星的碰撞，把它的液態(tài)核撞沒了。要知道，液核中很多是帶電的離子，流動起來會產(chǎn)生磁場，沒了它，保護(hù)大氣的磁場也就消失了。所以，火星現(xiàn)在幾乎沒有大氣，也就不適合人類居住。 有人提出，我們能不能改造火星，使得它適合人類居??？這當(dāng)然可以，但所需要的成本非常大。關(guān)于改造的方法，我想可能有兩種。一種是“小改造”，就是搞個陽光棚，里面種點(diǎn)花花草草，這樣人在那里至少可以生存了。另一種是“大改造”，就是搞個液態(tài)核，讓它有磁場保護(hù)，這個難度就太大了。 系外行星是怎樣被發(fā)現(xiàn)的 經(jīng)過人類的不懈努力，終于在1995年發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽系以外的行星。那么，如何探測系外行星呢？ 一種是視向速度法。行星是很暗的，根本看不見，怎么辦呢？我們可以去看恒星。因?yàn)樾行抢@著恒星轉(zhuǎn)，我們觀測的那個恒星，它其實(shí)有個像身份證一樣的東西——光譜。利用這個原理，我們就可以反推出恒星運(yùn)動是不是受到某顆行星的影響。于是，第一個太陽系外行星就這樣被探測出來。 另一種是凌星法。凌星法是目前被廣泛應(yīng)用的系外行星觀測方法。它的原理很簡單，當(dāng)行星正好從你的視線與恒星之間經(jīng)過時，你認(rèn)真觀察恒星，就會發(fā)現(xiàn)它的光度發(fā)生了變化，而且這個變化是周期性的。當(dāng)然，這個變化的大小取決于行星的大小。 人類找到了多少個類地行星 TESS、James Webb、開普勒……科學(xué)界發(fā)射的望遠(yuǎn)鏡中，幾乎有一半都在尋找系外行星。尤其是開普勒太空望遠(yuǎn)鏡，在它短暫的“一生”中，發(fā)現(xiàn)了超過3000個系外行星，這是人類文明的一個重大進(jìn)步。 那么，迄今為止人類找到了多少個類地行星？ 大概有700到800顆。但如果我們只統(tǒng)計300光年以內(nèi)的類地行星，就只有30顆；60光年以內(nèi)的話，只剩下10顆。 這10顆行星大部分都來自于一個叫Trappist-1的系統(tǒng)，我們中國稱之為葫蘆娃系統(tǒng)。遺憾的是，它們離我們依然太遠(yuǎn)。 中國的巡天之路 前面提到了很多國外的空間項(xiàng)目，那么我們中國有沒有自己的探測系外行星的項(xiàng)目呢？ 我們課題組參與了南極的一個巡天項(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℃，人在那里是沒辦法過冬的。所以，我們先在前一年的夏天派科考隊(duì)過去，把望遠(yuǎn)鏡放置并調(diào)試好后離開，讓它工作一年，第二年夏天再去把數(shù)據(jù)帶回來，或者通過衛(wèi)星傳輸回來。 通過這樣的觀測，我們在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，我們也在被稱為“世界第三極”的西藏設(shè)立了天文臺。位于海拔5100米的西藏阿里天文臺已建成了一半，我們將在那里放置5個小望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行系外行星的搜尋，期待能收獲好的結(jié)果。 |
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