搜寻外星生命可从强大的新工具中获得帮助

子轸 2019年11月6日09:59:34 评论

搜寻外星生命可从强大的新工具中获得帮助
艺术家对系外行星Proxima b的印象是绕着红矮星Proxima Centauri旋转的,它是离太阳系最近的恒星。那是天文生物学的好一周。在NASA宣布土星月亮土卫二的地下海洋中可能存在生命必需成分的几天之内,科学家们聚集在斯坦福大学,讨论在太阳系外发现生命的问题。

斯坦福大学物理学家彼得·米歇尔森(Peter Michelson)等演讲者注意到“ 在宇宙中对生命的搜索已从推测转变为数据驱动的科学”的方式,提出了有关寻找系外行星生命的详细计划。

在4月20日至21日的两天中,参加突破性讨论会议的数十名科学家考虑了探索其他恒星系统中行星的选择。这些选择包括使用新一代功能强大的望远镜进行远距离观测,以及开发首创技术以访问其他恒星系统-所有这些都将在下一代之内进行。

这些策略的共同点是着眼于观察我们当地恒星附近的宜居带行星。仅在这个邻域内,距我们太阳系大约30光年,天体生物学家已经发现了数个潜在的类地球系外行星和数十个可能包含类地球世界的系统。

这些系外行星是通过岩石对其母恒星的影响来识别的,它们是岩石状的,其大小和密度与地球大致相同。在适当的大气条件下,它们绕着恒星旋转一定距离,以使液态水存在于地表。但是,我们的行星与这些可能可居住的系外行星之间至少有一个主要区别:它们不是像我们的太阳那样绕着恒星旋转。
搜寻外星生命可从强大的新工具中获得帮助
该图显示了加州理工学院开发的新技术将如何帮助天文学家搜索系外行星上的分子生物特征。日冕仪会遮挡恒星的光线,使绕行行星更容易看到。高分辨率光谱仪将有助于进一步隔离行星的光,并可以揭示行星大气中的分子。
在恒星光谱上,我们的太阳是所谓的黄矮星。它是明亮的,与我们银河系中最大的恒星相比并不算大。然而,即使像我们的太阳这样的中等恒星也并不常见。我们当地的恒星社区,甚至可能是整个宇宙,都充满了许多低质量恒星。附近有20个像我们的太阳一样的黄色矮星,还有250个M-矮星,各种各样的恒星很小又昏暗,尽管它们很多,但肉眼无法看到它们。在过去的三到四年中,我们研究过的每颗低质量恒星似乎都至少有一颗行星。通常,它们有多个。

加州大学伯克利分校的天文学家考特尼·考辛(Courtney Dressing)在会议上的一次演讲中说:“行星绕低质量恒星运转的情况很普遍?的确如此。” “对于一个典型的M型矮星来说,往往有2.5颗行星。四分之一的恒星在可居住区域的大小和温度与地球相同。”
考夫斯的观点是,鉴于当地的M型矮人数量,在距此约32光年之内的宜居区域中,应该至少有60个潜在的类地行星,也许还有更多。迄今为止,我们的系外行星数据大部分来自美国宇航局的开普勒航天器,该航天器的搜寻重点是大型M矮星。在不久的将来,当对中小型M-矮人进行研究时,我们可能会发现,接近三分之一的恒星在宜居区域中有一个类似地球的行星。

这些低质量恒星除了数量众多外,还为研究潜在宜居系外行星的研究人员提供了其他优势。M-矮行星的恒星轨道紧密,因为它们附近的宜居区域为科学家提供了机会,每隔几周就可以查看它们的过境。正是在这些过境中,系外行星在它们的恒星前经过时,我们才有最好的机会研究它们的大气来寻找生命的迹象。

许多与会者,包括哈佛-史密森天体物理学中心的梅赛德斯·洛佩兹-莫拉雷斯,都解释了我们将如何调查最接近的可居住区行星的大气层,以寻找生活在水面或海洋中的生命迹象。她说:“我们将寻找氧气。”
由于地球大气中氧气的上升与生命的出现相对应,因此我们经常使用该特定分子作为其他地方生命存在的标记。另外,氧气喜欢与其他化学物质发生相互作用。如果我们发现行星上的氧气仍在大气中徘徊,则可能是某种物质(可能是生命)在积极地制造它。因此,寻找生命将集中在氢和氧等元素和分子上。但是,正如洛佩兹-莫拉雷斯(López-Morales)所解释的那样,这种方法存在不利之处。

她说:“一颗行星的大气仅占该行星大小的1%。” “信号的大小很小。您需要收集至少一万亿个光子,以确保您确实在看氧气。”

好消息是,专为行星探索和天体生物学设计的新一代望远镜即将上线,以帮助我们收集这些光子。明年左右的这个时候,美国宇航局的“外行星过境勘测卫星”(TESS)将准备发射。在为期两年的任务中,TESS将对20万颗恒星进行观测,其中包括我们本地系统中的亮星。
搜寻外星生命可从强大的新工具中获得帮助
艺术家对计划于2018年发射的NASA过境系外行星调查卫星的印象。NASA
智利的巨型麦哲伦望远镜(GMT)计划于2022年投入使用,其分辨力将是美国宇航局著名的哈勃太空望远镜的10倍。GMT将配备一种称为G-CLEF光谱仪的设备,该设备将能够在遥远的行星大气中看到像氧气这样的分子。最终,当地面上的欧洲超大型望远镜(E-ELT)于2024年投入使用时,它的聚光能力将超过地球上现有的所有8至10米望远镜的总和。天体生物学家指望从现在到2024年之间会联机的这些大型望远镜,以确定在我们恒星附近寻找氧气和生命的主要候选人。

即使我们期望从这些任务中获得大量的大气数据,科学家们仍在发现无需氧气,光照和我们以前认为是生命所必需的其他特征的,非常幸福地生活的物种。这些发现突显了像氧气这样的大气生物特征如何诱人地寻找远处生命的不完美方法。问题就变成了:除了研究系外行星的大气层之外,还有其他方法可以寻找外星生命吗?

“在宇宙中寻找生命已从推测转变为数据驱动的科学。”

理想地,为了确定其他世界的生命,我们将亲自或乘坐航天器访问距离我们仅4光年之遥的Proxima b等行星。这是突破星空计划的目标。超过一年前宣布,Starshot的创始人表示,其目标是“从字面上理解我们一生中的星星”。完成这项壮举的计划包括发射一支非常小的航天器。然后,Starshot将使用强大的地面激光器将这些飞行器的光速提高到大约20%。项目代表说,这种策略应该使科学家和工程师能够减少对其他恒星周围的行星进行近距离观察所需的时间,成本和重量。

哈佛大学天文学系主任理论家阿维·洛布(Avi Loeb)说:“目标是在离行星很近的地方飞行探测器,并弄清楚它是否具有生命。” “这颗行星是什么颜色?它是绿色的吗?它有植被吗?它是蓝色的吗?有海洋吗?还是像沙漠一样?”
在会议上,NASA工程师Ruslan Belikov从Starshot的角度首次对系外行星的模拟进行了模拟。贝利科夫说,即使飞船以光速的90%移动,机载摄像头仍然应该能够拾取系外​​行星可能拥有的大洋,云层和陆地的迹象。

希望有一天,通过将这些超小型飞船的激光加速度与照相机和其他传感器结合起来,我们也许最终可以亲眼看看环绕附近恒星的可居住区行星,从而确定地找到生活在宇宙其他地方。将来自新一代超大型望远镜的数据与对M矮星周围的系外行星的大气观测相结合,可以帮助我们为小型Starshot飞船选择最佳目标。

洛佩兹-莫拉雷斯说:“我们将成为发现系外行星的一代人。这是事实。” “我们还将成为将被铭记为在这些星球上找到生命的第一批人的一代吗?”

实际上,那将是一生的突破。

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子轸

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