外星人或存系外行星卫星之上:可能的生命天堂(组图)

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來源: 新浪科技

在太阳系中，有几个星球拥有可能孕育生命的环境条件，如木星的卫星木卫二以及土星最大的卫星土卫六。现在，科学家们认为在太阳系之外，在其他行星系统中也有可能存在类似的情况


新浪科技讯 北京时间9月15日消息，据英国《每日邮报》报道，今天距离人类发现第一颗围绕另外一颗类太阳恒星运行的系外行星已经过去了将近20年的时间。自那以后，这一方面的研究已经取得了巨大的进展，我们已经找到了超过1000颗系外行星。


然而在我们在茫茫宇宙中寻找生命的道路上，一些专家开始提出不同的观点，他们指出，最有可能找到生命的地方，可能并非是那些大行星，而是那些位于宜居带中，围绕这些行星运行的卫星。


搜寻系外卫星
对于那些一心想着要找到宇宙中生命的人来说，尽管我们已经找到了那么多的系外行星，但他们内心的感觉是复杂的：这些找到的系外行星中的大多数都被证明是体型巨大的气态行星，不适宜生命生存，并且它们的运行轨道通常都非常接近恒星，这导致其大气温度极高，环境条件恶劣异常。


然而幸运的是，拜不懈的努力以及技术进步所赐，科学家们开始找到更多与地球相似，由岩石构成的行星，其中有些甚至位于宜居带范围内，因此可以认为液态水是可以在这些行星的地表存在的。
但天文学家们的目光同样开始投向另外一个可能的生命天堂——那些存在于系外行星周围，围绕它们运行的天然卫星，也就是所谓的“系外卫星”。
考虑到搜寻系外行星所遭遇的巨大技术困难，要想找到那些比行星还要小得多的系外卫星听上去几乎是不可能做到的，但正是这样的困难，吸引了美国哈佛大学史密松天体物理中心的大卫·基平(David Kipping)博士的兴趣。
他说：“我们的兴趣更多的源自一种激动人心的前景。我想挑战一下构建相关模型，这几乎就跟人们挑战珠峰的动机是一样的。”他表示：“一直到2009年，我们还只不过刚刚开始利用凌星法探测到一些系外行星——就在那一年，美国宇航局的开普勒空间望远镜发射升空，专门用于探测围绕其他恒星运行的，大小与地球接近的系外行星。于是我们不禁想知道，既然我们能探测到较小的岩石行星，那么我们也应该可以找到那些岩石卫星。”


开普勒空间望远镜

开普勒空间望远镜，2009年发射升空，它是首台专门设计利用凌星法探测系外行星的空间设备。它会不间断监视某一天区，观察那极其细微的恒星亮度变化，这是当行星从恒星面前经过时遮挡恒星光芒而导致的


开普勒空间望远镜是第一台专门设计，运用凌星原理进行系外行星搜寻的设备。其镜头会持续对准一片预定的天区进行观察，侦测所观测区域恒星亮度出现的轻微变化，如果恒星的周围有行星运行，那么当它运行到恒星前方时便会遮挡观测视线，导致恒星亮度出现短暂的轻微下降。


而在此之前，科学家们用于搜寻系外行星的方法更多的是引力摄动法，即用非常高的精度观察恒星的位置，如果它的近旁存在行星体，那么行星体的质量会导致恒星出现轻微的来回晃动，从而暴露行星体的存在。然而这种方法有一大缺陷，那就是采用这种方法一般只能发现那些质量较大的气态巨行星。对于由岩石构成，类似地球，质量较小的系外行星就难以发现。而凌星法则通过观察恒星亮度的变化来搜寻行星，采用了完全不同的手段，敏感度也相对高了一些。当然这些手段都有着相同的本质，那就是采用足够灵敏的设备，在对的时间对准对的目标进行观测。


然而要想运用这一技术搜寻系外卫星仍将不是一个轻松的任务，然而作为“开普勒系外卫星搜寻项目”(HEK)的负责人，基平仍然决定接受这一挑战。他说：“这是一个十分棘手的问题，但现在我们已经让它从猜想或多或少的变成了科学。我们已经发展出一些技术，可以用来开展这样的搜寻，因此现在我们正致力于下一步的挑战，那就是真正去找到这些卫星，看看它们是否与我们太阳系内的天然卫星相类似，或者完全不同。”


根据我们现有的行星形成理论，之少有一类的系外卫星应当是普遍存在的：在我们太阳系内的全部气态巨行星周围都存在着遍布大量气体，冰块与碎屑物的区域，它们很快便会凝聚形成一个天然卫星体系。


在某些情况下，比如木星的4颗伽利略卫星，以及土星最大的卫星土卫六，这些卫星的大小实际上已经与大的岩石行星相当。它们的表面存在着复杂的地形特征：火山，冰封的海洋以及复杂的大气层。这些都让它们成为在太阳系内搜寻生命的候选目标。理论上说，在那些同样是气态巨行星的系外行星周围也应当会形成类似的天然卫星，这样的卫星将有可能成为孕育生命的潜在场所。


数量几何？

哈佛-史密松天体物理中心的大卫·基平博士表示，我们寻找宇宙中生命的最佳机会可能并非在系外行星上，而是在那些位于宜居带内的系外卫星上面
基平表示：“实际上，由于科幻电影和小说的影响，人们对系外卫星的概念其实并不陌生，尽管他们此前甚至从未真正听过这个名字。我们进行这样的搜寻工作，一个有趣的原因是我们知道气态巨行星是普遍存在的，甚至运行于宜居带内的巨行星也是非常常见的。”

他强调指出：“目前天文学领域的一大问题是评估位于宜居带内，并且与地球相似的系外行星存在的可能性。开普勒望远镜的发射让我们得以对‘系外行星’这一术语进行定量上的估算：一项最新的分析认为，在类太阳恒星中大约有2%的成员，在其周遭宜居带内拥有之少一颗岩石行星。”

他表示：“在目前这一阶段，你可以认为这一比例很高，也可以认为这一比例很低，因为在银河系内有着太多的类太阳恒星。而这一研究同时也指出拥有气态巨行星的类太阳恒星则要占到全部成员的8%。因此，即便即便这些气态巨行星中只有1/4的成员拥有质量相当可观，因而得以保有大气层的岩石卫星，这样一来，位于宜居带的岩石卫星数量就要接近乃至超过具备同样条件的系外岩石行星的数量了。甚至有可能存在这样的可能性，那就是我们实际上才是奇怪的家伙，竟然居住在一颗行星上而不是一颗卫星上。如果我们想要弄清银河系中的生命景象，那么我们就必然要将卫星的情况考虑在内。”

关于月球

如果太靠近恒星，这样的系外卫星表面温度可以达到水的沸点之上，从而使其难以成为生命的宜居之地
然而，当考虑到我们自己的天然卫星时，我们便无法再保持这样的自信了，之少到目前为止是这样。地球的卫星月球是在地球早期遭受的一次灾难性撞击事件中形成的，但基平博士表示：“我们现在还无法肯定，导致月球诞生的那场撞击事件究竟是一次偶然事件，还是属于常态性事件，由于在太阳系中我们只有这么一个孤立的案例，因此我们无法确切的知道这个问题的答案。”


基平博士还指出了另外一项寻找与我们的天然卫星——月球相似的天然卫星的重要理由，他将其称作“外部宜居条件”。他说：“月球的存在可能帮助促成了地球上早期生命的出现，这是因为月球的引力帮助稳定了地球的自转轴倾角，维持了气候的稳定，并驱动了地球海洋中的潮汐运动。潮汐运动导致海水的大范围流动，促进了海洋物质的交汇融合，并在沿海地区产生许多小水塘。这些都是地球上最早期生命起源的温床。”


他说：“如果我们能找到第二颗地球，我们想问的第一个问题便是：‘它有月亮那样的卫星吗？’因为月亮的存在对于我们的星球意义重大。”


搜寻系外卫星的方法

月球的存在可能帮助促成了地球上早期生命的出现，这是因为月球的引力帮助稳定了地球的自转轴倾角，维持了气候的稳定，并驱动了地球海洋中的潮汐运动。海边的小池塘正是生命最早开始的地方


上文中提到的HEK项目从开普勒望远镜项目的数据库中检索，从中搜寻与3种不同效应有关的线索，它们中的每一个都可以提供有关系外卫星的独特信息。
在所有这些方法中，观察由于卫星存在的原因而导致同样是周期性出现，但程度小得多的掩星现象是其中最明显而直接的一种方案，尽管这样做仍然已经逼近了开普勒望远镜仪器灵敏度的极限。


基平博士表示：“非常简单的说，如果有一颗系外行星围绕一颗恒星运行，并且碰巧这颗行星会在你的视线方向上遮挡恒星的光芒，那么你就会看到恒星亮度发生周期性的变化。而如果这颗行星本身拥有一颗卫星，那么由于它会绕着行星公转，因而会间或在行星的前方或后方出现，此时它就会遮挡后方恒星的光线，从而导致程度小得多，但同样是周期性的恒星亮度变化。”


他说：“如果你跟踪观测多个轨道周期，你会注意到由于卫星掩星效应造成的恒星轻微亮度下降，这不同于由行星造成的掩星效应。并且这一亮度下降效应出现的时机并非是随机的，它遵循开普勒行星运动定律。因此，我们将这一效应进行计算机模拟，观察这样一个拥有行星与卫星的系外恒星系统是如何运行的，并考察开普勒数据中显示的某些亮度下降是否可以用系外卫星的存在来进行解释，也或者这是由系外行星，或是恒星本身的活动造成的？”


而其他的效应相比之下就要微妙得多——我们可以考察系外行星发生掩星的时刻上出现的变化，观察两次掩星之间的时间间隔，这样的变化可能与行星周围的卫星对其施加的引力影响有关。对此，基平博士打了一个更加便于我们理解的比方，他说：“假设有外星人从远处观察我们的地球，你大概会认为他们会观察到地球每隔365.256天(地球围绕太阳的公转周期)遮掩太阳一次，但实际上，地球的这一遮掩周期会出现±5分钟的偏差。之所以会出现这种情况，是因为实际上围绕太阳运行的并非孤立的地球，而是由地球和月球组成的地月系统。”
基平博士表示：“月球也并非围绕地球运行，实际情况是：地球和月球共同围绕两者共同的质心运行，尽管由于月球的质量太小，实际上地月系的质心位于地球内部大约1700公里的深处。然而由于月球的引力扰动，已经足以导致地球出现数分钟量级的晃动。除此之外，有时候地球从太阳面前通过时，它的速度也会有快有慢，这也是因为月球的引力影响造成的结果。”


将所有这些信息结合起来，理论上我们便能得到一些非常重要的结果：“开普勒望远镜在理论上可以识别出这些变化信息，于是我们便可以透过观察卫星对行星引力扰动的大小来反推出卫星的质量大小，并通过观察卫星导致的恒星亮度减低来判断其直径大小。而如果你知道了一个星球的大小和质量，你就可以很容易计算出它的密度，基本上密度信息就能让你大致判断出它的整体物质成分。如果这颗卫星主要是由水冰组成，那么它的密度就应当在每立方厘米1~2克，而如果是一颗岩石卫星，那么它的密度可能就要比这一数值大一倍左右。”


在实际操作中，当然要想从开普勒望远镜从2009年发射直到2013年损坏期间采集的海量数据中进行筛选仍然将是一项极其细致艰难的工作。开普勒项目所依据的准则是之少要观测到一颗恒星发生的3次凌星现象才能推断一颗系外行星的存在，根据这一标准已经探测到超过4000颗疑似系外行星目标。


然而不幸的是，在所有这些行星中，绝大多数的成员都可以被直接判断出来并不拥有卫星。
凌星法由于其自身的局限性，一般适用于那些距离恒星距离比较近的系外行星观测，在这样的距离上，由于恒星的强大引力，行星很难拥有自己的卫星。实际上，在开普勒望远镜所有观测到的系外行星候选目标中，仅有大约10%成员的轨道距离足够远，因而有可能拥有自己的卫星。


目前的进展

月球是地球唯一的天然卫星，它会对地球的运行产生轻微的影响。如果有外星人从远处观察地球，它就能通过这种轻微的变化推断出月球的存在。当我们观测其他系外行星时，也应当注意这种效应

基平博士表示：“乍看起来，开普勒望远镜探测到的系外行星数量似乎很多，但实际上在这其中那些公转周期较长的行星数量却非常有限，因而也显得很珍贵。我们相信对于这些行星成员，每一颗都值得进行细致的观测，从而判断它们究竟是否存在卫星。因为不管它们是否拥有卫星，这个问题的答案对于现代天文学都将是极其重要的。”


那么，这一过程进行的如何了？基平博士表示：“到目前为止我们已经对其中的大约20颗成员进行了观测，按照目前的速度，我们每年大约可以完成对40颗系外行星的观测工作。因此到今年年底之前，我们将能够发表大约40颗系外行星的观测结果。我不想放弃这项工作，我们的目标是至少要对其中条件最佳的100~200颗候选行星进行梳理，而一旦我们对这么多的目标进行了观测，我们便可以从统计学的角度判断大型卫星在宇宙中究竟是司空见惯还是较为罕见的现象了。”


然而，事情的进展也并非一帆风顺，由于HEK项目组采用的方法只能针对那些质量足够大，因而可以对它们围绕运行的系外行星产生足够大引力影响的卫星才有效果。基平博士表示：“从灵敏度方面看，这些数据已经足够我们用于探测与月球相似的卫星，乃至比这还小一半左右的天然卫星目标。因此在经过对大约200颗或更多的系外行星进行观测之后，我们或许会对一件事有一个更好的认识，那就是导致月球形成那样的大型撞击事件究竟是否是时常发生的？”


具有讽刺意味的是，那些最常见的卫星类型，也就是那些围绕气态巨行星运行的卫星，同时也是最难以进行确实的探测工作的。尽管它们本身的规模可能比较大，但相比它们围绕运行的巨大行星，它们就会被完全淹没，它们的质量根本就难以对质量巨大的气态巨行星构成明显的扰动影响。基平博士表示：“当然它们的体型质量都是挺大的，因此或许我们可以看到它们造成的恒星轻微亮度下降，但它对系外行星造成的引力影响则将会非常微弱。”


基平博士对于未来找到与地球相似的系外行星以及它们的卫星仍然充满信心，他表示：“我对此仍然保持乐观，我们或许可以在未来一到两年内便可以找到这样的目标。我难以相信大自然没有制造出大量的卫星，大自然有着远比我们更加远大的想象力，这是已经被过去的事实一次又一次证明了的。”