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太阳系外行星的发现

主要图片由美国宇航局/ jpl -加州理工学院罗伯特·赫特拍摄

好吧!

听好了,你们这些硅谷的独角兽牧者,眼镜蛇般的资本家,老式寄宿学校的,贵族出身,喜欢花5月花的人,因为斯科特·高迪给你们做了笔交易。投资的回报可能需要几十年的时间,这是理所当然的,但它将成为历史,成为你的传奇:给予俄亥俄州立大学的天文学家外行星猎人只要花几十亿美元,他就能帮你找到地外生命的迹象。

在发现系外行星和寻找外星人的世界里,一个共识正在形成:找到外星生命的明确迹象不是白日梦。这项技术基本上已经开发出来了,而且各种各样的科学家——天文学家、天体物理学家、地球科学家和天体生物学家——正狂热地致力于识别可居住的系外行星,这是朝着发现实际居住迹象迈出的重要一步。

第一个直到1992年才发现在美国,围绕太阳系外恒星运行的系外行星的范围从像地球这样的小型岩石行星到巨大的冒烟的“热木星”。(KELT-9b这是高迪和他的同事在2017年发现的它的白天温度约为华氏7800度——比大多数恒星都要热!)

高迪说,大型系外行星更容易找到,但我们现在知道,多亏了美国宇航局的开普勒太空望远镜,小型的、可能适宜居住的系外行星很常见。类地行星围绕着多达四分之一的类日恒星运转。这个激发想象力的发现是过去十年改变这一领域的重大进展之一。

发现系外行星最困难的部分是阻挡来自这些恒星的光线来观察它们的行星。日冕仪和令人惊叹的星罩等尖端工具可以在不久的将来解决这个问题。

新的工具和发现已经为寻找外星生命的证据提供了帮助。计算机模拟可以看到行星的未来,直到它的恒星燃烧。卫星设备可以梳理出一颗系外行星的大气成分。一个新的太空望远镜时代即将开始,人们正在从地球上数十亿年的生命中收集关键的见解。

“如果HabEx现在开始获得资金,我们可以在2030年左右启动它。如果生命很丰富,我们将在几年内找到证据。”

Scott Gaudi,美国天文学家

如果一个新的轨道望远镜(LUVOIR或HabEx)被选为下一个重大任务,我们可能会在你的有生之年做出人类历史上最重大的发现。

“如果HabEx现在开始获得资金,我们可以在2030年左右启动它,”参与HabEx项目的高迪说。

“如果生命很丰富,我们会在几年内找到证据。”

煤城梦想着其他星球上的生命

高迪出生在贝鲁特,父母是美国人,他的家人在黎巴嫩内战时逃离了黎巴嫩。婴儿斯科特在美国和阿联酋漂流,直到6岁时在伊利诺伊州的一个小镇定居。高迪是一个生活在老煤城的知识分子,从无聊到成绩差,他想寻找外星生命的愿望可以追溯到他二年级的科学老师。

高迪说:“有一天她做了一件改变我一生的事。“她让我们班按照距离太阳的距离去记住九大行星的名字——那时还有九大行星。”

支持高迪的父母订阅了《国家地理》杂志,里面有图册。高迪从架子上摘下我们的宇宙,记住了我们的太阳系。但真正吸引他的是后面的一个更有思辨性的区域。

“有一章讲的是太阳系其他地方的生命可能是什么样的,”高迪说。还有“乔维安·约翰尼·威尔斯”(Jovian Johnny Weirs),在木卫二冰面上滑行的吸辐射生物。来自金星的奇怪“oucher-pouchers”看起来像鳄鱼皮篮球,必须从一条腿跳到另一条腿,在金星滚烫的表面上弹跳。奇形怪状的固特异飞艇生物,像跳伞的克苏鲁人的头,在木星无尽的天空中穿梭。

高迪说:“我只是觉得整件事太棒了。”

高迪说,太阳之外存在巨怪的证据将是间接的。一颗系外行星太远了,探测器无法带回样本。找到证据是高迪的专长。

一颗可居住系外行星的艺术再现。通过研究地球在数十亿年的时间里形成的各种各样的生物形态,科学家们正在开发模型来评估这些岩质系外行星。插图由Joby Harris, NASA/JPL-Caltech。

一颗可居住系外行星的艺术再现。通过研究地球在数十亿年的时间里形成的各种各样的生物形态,科学家们正在开发模型来评估这些岩质系外行星。插图由Joby Harris, NASA/JPL-Caltech。

“确凿的证据是化学失衡,”高迪说。某些大气成分很可能是由生命造成的。是否有大量的氧气和氢气漂浮在可能适合居住的系外行星上?一定有什么东西会导致这种不平衡,而生命就是其中之一。

凌日光谱学可以告诉高迪这样的研究人员行星的大气层是由什么组成的。当一颗系外行星从它的恒星前面经过时,恒星发出的光会略微变暗,天文学家可以利用这一点来确定行星的大小。

亮度下降的部分原因是星光通过行星的大气层过滤,被不同的分子吸收。当这种光像棱镜一样分裂时,研究人员可以看到光谱中缺少了什么颜色的光,从而可以推断出大气的组成——水蒸气、氧气、甲烷或其他任何物质。

但有生命的系外行星会是什么样子呢?

寻找类地行星?从真正的交易开始

要找到一个我们可以合理确定支持生命的星球,最好从我们的家开始——在我们的脚下,在我们的头上,在我们的肺里,在我们周围。地球可以帮助发现可居住的系外行星,为寻找新的候选行星提供信息。这是一笔不需要新的太空望远镜就能收集到的知识财富。

芝加哥大学(University of Chicago)研究地球历史和天体生物学的博士后斯蒂芬妮·奥尔森(Stephanie Olson)说:“我认为研究地球上生命的历史和出现有很大的价值。”研究地球岩石中的化学成分和化石记录将有助于梳理出在其他星球上支持生命的化学成分组合。

“我很荣幸能够参与到科学研究中来,来回答人类最深刻的问题之一:我们是孤独的吗?

Scott Gaudi,美国天文学家

我们这颗行星的历史也可以提供一些模型,来研究今天最有希望的宜居系外行星是什么。在地球45亿年的历史中,各种各样的大气和表面条件就像时尚的蒙太奇:我们现在所认为的生命,以及维持生命的当前条件,不过是开篇的几句话“超模”。

数十亿年来,在恐龙出现之前,甚至在动物和植物出现之前,地球上就有生命存在。类似地球的行星模仿了这些早期的行星,“替代地球”和类似我们现在迭代的行星一样,都是有生命存在的可能。这扩大了可能性的范围,但仍然保持搜索条件相对狭窄。

有了这些参数,像奥尔森这样的研究人员可以探索发现其他可能的“生物特征”,而她、高迪和其他搜寻外星生命的人可以在宇宙中寻找这些特征。

计算机中的系外行星

基于早期地球的系外行星(或任何其他系外行星猎人可以梦想的参数)现在可以以前所未有的细节模拟——100亿年的旋转,压缩成秒。整个太阳系可以被绘制出来并启动,它们的相互作用可以通过强大的软件进行布局。

通过模拟,奥尔森可以更好地了解可居住系外行星表面环境可能发生的情况。她可以模拟可观察条件的影响,比如大气的变化,或者目前无法观察到的条件,比如地表水的盐度。

VPLanet,一个由华盛顿大学天体生物学家Rory Barnes说,允许研究人员定制一系列令人眼花缭乱的变量,为他们的研究创建一个定制的系外行星。

研究人员可以调整这颗行星的初始内部温度、地质能源、大气的组成、地面水的数量、自转速度、地轴的倾斜度、轨道的距离和形状等各种细节。甚至它的恒星在星系中的位置也可以调整和模拟。

VPLanet基本上让科学家扮演神的角色。想要重新排列我们的太阳系,看看会发生什么吗?当然!把木星放到金星的轨道上,然后观察结果。它是终极银河沙箱,而且重要的是,VPLanet是开源的,任何人都可以使用。

巴恩斯说:“我认为发现外星生命将是人类历史上的转折性事件。”“我想要明确的是,当我们向公众公布这一结论时,我们是通过开放科学,通过一个经过社区审查的过程得出的,我们可以有信心这是一个真实的结果。”

为了得到这个结果,高迪需要他的钱。

一台用于寻找外星生命的新型太空望远镜

NASA的两个潜在项目将把系外行星的发现和研究推向前沿和中心。HabEx太空望远镜——高迪和一个大约180人的团队帮助研究和提议——和LUVOIR是我们真正看到潜在宜居系外行星的最佳选择。

这些望远镜将使用两种不同的设备,日冕仪和星罩,来阻挡星光,因为星光通常会淹没非常昏暗和遥远的行星的图像。LUVOIR的设计依靠日冕仪来阻挡光线(有点像在日食期间月亮让我们看到太阳的日冕)。

更引人注目的是,这个令人敬畏的名字“星罩”是一个可折叠的盾牌,直径50米,像花一样展开,飞到距离太空望远镜10万公里的精确位置,遮蔽望远镜目标附近的所有其他光源。星罩有点敏感:它们只能在一毫米的范围内达到完美的平面,边缘必须打磨到一微米,而且必须在距离目标位置一米的范围内操作。(可以这么说,它们目前仅作为小规模模型存在。)

但HabEx和LUVOIR都是专为寻找生命迹象而设计的。

在这幅艺术家的作品中,HabEx望远镜部署了一个50米宽的遮光罩,用来阻挡来自恒星的泛光。插图由Joby Harris, NASA/JPL-Caltech。

在这幅艺术家的作品中,HabEx望远镜部署了一个50米宽的遮光罩,用来阻挡来自恒星的泛光。插图由Joby Harris, NASA/JPL-Caltech。

《梦想:我们有生之年的外星生命》(The Dream: Extraterrestrial Life in Our Lifetime

高迪说,这个领域在过去十年发生了变化。我们现在知道,可能适合居住的系外行星比预期的要多;我们现在对它们围绕的恒星如何影响我们研究它们的能力有了更多的了解;我们最近开发了技术来应对这些挑战。

在系外行星时代成长起来的科学家们正在步入这个新发现时期。对他们来说,在类似地球的行星上存在外星生命的可能性并不是一个狂热的梦想。

NASA的两个潜在项目将把系外行星的发现和研究推向前沿和中心。

类地行星就在那里。技术已经在这里了,或者非常接近了。那些拥有知识、欲望、动力和激情的科学家们——就像一个住在煤乡的小孩,在遥远世界的奇妙生物中找到了自己的使命——已经准备好了。

“这听起来可能有点老套,”高迪不自觉地说,“但我首先感到荣幸和荣幸,能够参与科学努力,回答人类最深刻的问题之一:我们是孤独的吗?”

回答这个问题需要的是资本和政治意愿。

选择一颗可居住的系外行星的任务可能很快就会产生人类历史上最重大的发现之一,这一发现的实现可能无法预测其含义。

“我认为现在是时候这样做了,”高迪说。

“如果我们现在能做到,我们就应该去做。我们应该迈出第一步。”

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