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《科学24小时》

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寻找M家族

2014-08-02 10:53:26

至少到目前为止,科学家还没有发现第二个“地球”,毕竟要在茫茫宇宙中找到与地球完全相同的星体实在有点难。于是,科学家们“退而求其次”,他们的搜索目标变成了——

 

寻找M家族

█ 北辰

 

1995 年,瑞士天文学家米歇尔·麦耶发现了第一颗系外行星——飞马座51b。在此之前,寻找系外行星仅作为一个话题存在于大家的讨论中。不过,很多人仍然认为,这次的发现只是个偶然,但仅仅几个月后,美国的研究团体也宣布,他们找到了另外两颗系外行星。至此,系外行星开始接二连三地出现在天文学家的视野里。

 

 

M地球与M矮星

 

截至2013 7 12 日,人类已经确认发现了910 颗系外行星。可惜的是,在这些行星中,没有一颗与地球类似。它们绝大多数是气体球,体积过大,和木星差不多,并不适合人类生存。

众所周知,我们需要寻找的是一些与地球相仿的行星,它们应该拥有岩石表面,还要有液态水的存在。于是,“M 地球计划应运而生。该计划由哈佛-史密森尼研究中心提出,旨在寻找M 地球和M 矮星,负责人是戴维·夏邦诺。所谓M 地球,就是与地球类似的一些系外行星。而M 矮星则是一种不正常的恒星,由于在形成之初,它们没有得到足够的物质成为正常的恒星,结果沦为恒星家族的二等公民。M 矮星属于红色主序星,质量一般不大于太阳的60%,而且体积偏小,发光能力也很弱,温度不高于4000℃。这样的矮星数量极多,我们在距离太阳30 光年的范围内,就发现了250颗。

在“M 地球计划中,科研人员主要使用40厘米口径的小型地面望远镜进行观测。虽然这种望远镜并不非常高级,但众多小望远镜排列在一起就可以组成阵列,同样能获得不错的观测效果。

 

 

未来家园

 

想要找到M 地球,首先要找到M 矮星。因为M 地球距离M 矮星不会太远,它常常会在M 矮星周围徘徊。尽管M矮星的发光能力有限,但它已足够满足孕育生命的需要。

由于距离矮星过近,M 地球一般处于引力锁定状态,也就是说,它不会产生自转。在这种星球上,一半永远是白昼,一半永远是黑夜。而且,那里各地区的温度会有很大的差异,或许其中只有一小块地区的温度适合人类生存。

虽然这样的行星与地球大不相同,但要找到一颗与地球一模一样的行星实在是太难了。目前,“M 地球计划的首要任务就是寻找适合人类生存的地外家园,而M 矮星与M 地球将是我们未来家园的重要选择。

 

 

两种方法

 

既然我们确定了搜寻范围,那么接下来的任务就是寻找这对好搭档了。为此,科学家制定了两种搜寻方法。

当月球运行至太阳与地球之间时,从地球上的部分地区来看,太阳的部分或全部光线会被遮挡,这种现象就叫做日食。其实,一颗天体遮挡住另一颗天体的现象在宇宙中时有发生,它有个更科学的名字——凌星。观测凌星现象,是我们寻找M 地球的第一种方法。

然而,小型望远镜阵列根本无法观测到这种现象,即使是开普勒望远镜也无能为力。不过,我们可以通过观察M 矮星的亮度变化,以此判断M 地球是否存在。试想,当M 地球从M 矮星面前经过时,M 矮星的光芒将会变暗,随即又会变亮,而且这种光芒变化的过程又具有明显的周期性。因此,只要我们能观测到M 矮星的亮度变化,就能推测出M 地球存在与否。而且,我们还可以根据亮度的变化幅度,推算出M 地球的体积,并由此得知它的质量。

此外,我们还可以通过观测恒星的移动轨迹来确定M 家族是否存在。行星在围绕恒星运行时,会对恒星产生引力,使恒星左右摇摆。M 矮星与M 地球的质量相差无几,这就使得M 地球在环绕M 矮星运转时,M 矮星会发生更剧烈的摇摆。这一明显的方位变化,将让人类更容易寻找到它们,并通过引力关系判定它俩的质量差,从而确定M 地球的质量。戴维·夏邦诺认为,相对于更大的恒星来说,在这些相对较小的、比较暗淡的恒星周围寻找行星会更加容易。

 

 

观测光谱

 

由此可见,寻找M 地球并不难,其实,真正的难题是如何确定它是否适合生命存活。不过,我们可以依靠光谱研究技术,通过分析星球大气层气体成分的方法来确定。

目前,科学家已经找到了一些M 地球,也知道了它们大气层的一些基本情况。其中,GJ1214b 是比较特殊的一个,它就是“M 地球计划小组于2009 年发现的。

GJ1214b 的质量是地球的6.5 倍,体积是地球的2.7 倍,显然,它的密度介于气体行星和岩石行星之间。科学家以此判断,GJ1214b 的组成成分有两种可能:要么它有个较小的岩石核心,外加一个巨大的含氢气的大气层,而且氢含量很高;要么它有一个较大的核心,核心外侧包裹着深水海洋,大气层则富含水汽。根据这两种可能性,天文学家展开了广泛的讨论,如果能够排除第一种猜测,那么,GJ1214b 将是一颗充满水分的星球。

为此,2012 年,美国哈勃太空望远镜深入观测了GJ1214b 的凌星现象,结果却一无所获。2013 年,当GJ1214b 再次发生凌星,日本科学家对其进行了观测。最终发现,它的光谱在大范围波长上毫无特色,这说明该行星的大气层中含有水蒸气,而且水蒸气还是主要的组成成分。

尽管我们已经初步证明GJ1214b 是一个大水球,但我们也不能高兴得太早,因为那里的温度实在是太高了。这颗行星约由75%的水和25%的岩石构成,绕恒星运行1 周只需38 小时,比地球的365 天短得多。此外,它距离红矮星只有200 万千米,这使它的温度高达200℃。高温使得液态水全部蒸发,仅以气体形式存在。

除了观测行星发生凌星时的光谱,我们还可以通过观测行星白昼时的光谱,来深入了解行星大气层的构成成分。在M 地球公转的一个周期内,我们将会有两次观测机会。第一次是M 地球即将M 矮星的背面时,第二次则是M 地球刚刚转出M 矮星的背面时。在这两个时刻,我们能够看到M 地球反射M 矮星光芒的一面,这正是研究它光谱的大好机会。

我们只要在不同波段中观察行星反射恒星的光芒,并将这些光芒与恒星的光芒进行对比,就可以知道这颗行星的大气层包含哪些化学元素。

 

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终极目标

 

 M 地球计划的初期目标是观测2000 M 矮星,并确定它们周围是否存在M 地球。而它的终极目标,则是确定这些M 地球是否适合生命存活。

显然,完成终极目标的前提是验证在这些M 地球中,哪些有合适的大气层,哪些含有水。此外,还要确定它们的温度。一般而言,过高的温度不适合生命存活,因为星球大气层中的绝大多数碳会跟氧结合成为一氧化碳。真正值得研究的是那些温度低于1000℃的行星,在这种温度条件下,碳会跟氧结合形成甲烷,而甲烷则是生命存在的基本信号。

众所周知,想要找到一颗与地球相仿的行星非常困难,毕竟,地球的形成充满了太多的偶然。不过,詹姆斯·韦伯太空望远镜即将升空,大麦哲伦望远镜也正在建造,它们会帮助我们找到更多符合要求的M 家族。随着光谱分析技术的不断进步,真正适合人类生活的星球也许很快就要出现了。

 

 

链接:

飞马座51b

一颗位于飞马座、距离地球约50光年的系外行星。它是第一颗被发现的围绕类似太阳的恒星(飞马座51)运转的系外行星,同时也是热木星的原型。

 

矮星:

原指本身光度较弱的恒星,现专指恒星光谱分类中光度级为V的恒星,即等同于主序星。

 

詹姆斯·韦伯太空望远镜:

红外线观测用太空望远镜,由美国宇航局和欧洲空间局共同打造。按照计划,它将被放置于太阳-地球的第二拉格朗日点。

 

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大麦哲伦望远镜:

预计将于2020年完工启用的地基极端巨大望远镜,属于“极端巨大望远镜计划”,其安置地点已经确定为拉斯坎帕纳斯天文台。

 

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