寻找太阳系外的行星

我们在天空中看到的每一颗恒星都有至少一颗行星在围绕着它运行，天文学家莎拉·西格尔如是说。我们对这些外行星了解多少，又要如何发现更多这样的星球呢？西格尔介绍了她最喜欢的一组外行星，并展示了一项可以帮助我们搜集关于它们的信息——甚至可以帮助我们寻找有生命迹象的外行星的新技术。

我想告诉你们一些针对外星生命
所展开的真实的探索行动。

不过不是那些通过UFO
抵达这里的绿色小人儿，

当然这样很不错。

不过是关于寻找外太空
围绕恒星运行的行星。

我们天空中的每一颗恒星都是太阳。

如果说太阳有围绕它的行星——

水星，金星，地球，火星，等等，

当然其他的恒星周围也应该有行星，

而且它们的确有。

在过去的20多年中，

天文学家已经找到了数千个系外行星。

我们的夜空的确遍布着系外行星。

从统计学的角度来说，我们知道

每一个恒星都拥有至少一颗行星。

在搜索行星的过程中，

在未来搜索像地球这样的行星，

可以帮助我们回答

一些最不可思议又充满神秘的问题，

这些问题已经困扰了全人类几个世纪。

我们为什么会存在？

为什么我们的宇宙会存在？

地球是如何形成和演化的？

生命如何以及为什么会诞生
并在这个星球上繁衍？

我们经常思考的第二个问题是：

我们是唯一存在的生命吗？

外太空中还有其他生命吗？

其他生命是什么样子呢？

这个问题已经存在了几千年，

至少在古希腊哲学家的时代
就已经存在了。

但是我今天想要告诉你们，
我们已经

非常接近这个问题的答案了。

这是人类历史上第一次
对这个答案触手可及。

当我想到外太空存在生命的可能性，

我就想到了我们的太阳
只是若干恒星中的一颗。

这是一个真实的星系的照片，

我们认为我们的银河系
差不多就是这一个样子。

其中聚集了很多
彼此紧密联系的恒星。

但我们的（太阳）只是
千亿颗恒星中的一颗，

我们的银河系也是
千亿个星系中的一个。

小行星更是不计其数，

可以做一下粗略的计算。

宇宙中的星球真的是太多太多了，

一定还会有其他生命存在。

不过生物学家们极其不赞同这种说法，

因为我们毕竟还没有任何相关的证据。

假设能够从外太空
观测我们所在的星系，

并聚焦到太阳，

我们就会看到一幅恒星的分布图。

那些被突出标注的恒星
都有已知的系外行星。

这张图展现的仅仅是冰山一角而已。

这个动画突出展示了我们的太阳系。

你们可以看到一些行星和宇宙飞船，

它们都在围绕着我们的太阳运行。

假设我们在北美洲的西海岸

仰望夜空，

这就是我们在一个春季的夜晚
能够看到的景象。

你们可以看到星座的交替，

还有很多带有行星的恒星。

天空里有一个区域密布着数千颗行星。

开普勒太空望远镜在这里聚焦了很多年。

我们再继续放大，
看一下其中一个比较有名的系外行星。

这颗行星叫开普勒-186f。

这个系统中有大约5个行星。

这里要提一下，这其中大多数的
系外行星我们都不太了解。

我们只知道它们的大小，
轨道之类的信息。

不过开普勒-186f非常特殊。

它处在一个距离恒星
并不太远的区域内，

这就意味着那里的温度
可能非常适宜物种生存。

这里我们强化了艺术效果，

想要给大家展示一下
这个行星可能的形貌。

或许很多人都会带着
一种浪漫的想象，

觉得天文学家们都是在孤寂的山顶，

通过巨大的望远镜来
观察绚丽多彩的夜空的。

不过事实上，我们只是在计算机上操作，
跟其他人没什么两样，

我们通过邮件或者数据库下载数据。

所以，与其说我是来告诉大家

数据本身和数据分析
有多么枯燥，

我们的计算机模型有多么复杂，

不如说我想以一种不同的
方式给大家展示

我们对系外行星的一些看法和思考。

这里有一张旅行海报：

"开普勒-186f：

一边的草总是比另一边更红。“

这是因为开普勒-186f围绕着
一颗红色的恒星运行，

我们只是猜测那上面的植物，

假设有可以进行光合作用的植物，

那些植物就会含有不同的色素，
让它们看起来是红色。

”享受HD 40307g上面的重力吧，

这里是超级地球。“

这颗行星比地球的质量要大，

拥有更大的表面重力。

”来开普勒-16b上放松一下吧，

你的影子永远不会孤单。“

（笑声）

据我们所知，有数十个行星都
是围绕着两颗恒星运行，

估计还会有更多。

如果我们可以探访其中一颗行星，

你确实可以看到两次日落，

并同时形成两个影子。

事实上，科幻小说中的
一些描述是正确的。

比如《星球大战》中的塔图因。

还有一些其他的系外星球，

我也想给大家介绍一下。

这个叫做开普勒-10b，

它的温度极高。

它的运行轨道距离其围绕的恒星

只有地球和太阳距离的五十分之一。

正是因为它的温度太高，

我们无法探访任何这样的行星，
即便我们试图接近它，

在到达那里之前也早就熔化了。

我们认为它的地表温度足够熔化岩石，

能够形成液态的岩浆湖。

格利泽1214b。

我们已经知道了
这颗行星的质量和体积，

它的密度比较低。

温度也不算太高。

但我们对它的了解也仅限于此，

不过它上面可能有水存在，

有点像木星的一颗放大版的
遍布冰雪的卫星，

其水含量可能占据了质量的50%。

在这种情况下，它就有可能覆盖了
一层很厚的蒸汽大气层，

就在海洋的上空，

不过海里不是液态水，

而是一种奇特状态的水，
一种超流体——

不算是气体，也不算是液体。

其下遍布的也不是岩石，

而是一种高压状态的冰，

类似于冰IX（冰九，拥有某种晶体结构的冰。
——译注）。

除了这些多样性已经让我们感到

惊讶的行星以外，

我们最想找到的是我们称作
”古迪洛克行星“的星球。

体积不大不小，

温度不高不低——

刚刚好适宜物种生存。

不过要做到这一点，
我们需要能够检测到

这个行星的大气层，

因为大气层就像一块保温毯——

具有温室效应。

我们需要监测到其他行星上的

温室气体。

从这一点来说，
科幻小说就显得不那么真实了。

《进取号》
（剧情设定在《星际旅行》的宇宙中）

需要以极高速度旅行很长的距离

到达其它行星并环绕飞行，

这样史波克大副才能
分析大气层的成分，

从而判断该行星是否适宜居住，

或者那上面是否有生命存活。

不过我们并不需要以极限高速行驶

来获取其他行星上的大气数据，

当然我并不想打击那些跃跃欲试
想要实现这项工作的

工程师们的积极性。

我们其实可以直接在地球的轨道范围内

研究那些大气层。

这是一张由亚特兰蒂斯航天飞机拍摄的

哈勃太空望远镜的照片，

这架航天飞机出发时，最后一次
前往哈勃的载人太空飞行已经完成。

他们在飞机上安装了一个新的照相机，

可以采集系外行星的大气数据。

目前，我们已经能够研究
数十个系外行星的大气层，

其中有6个我们可以得到
非常详细的数据。

不过那些都不是像地球这样的小行星。

它们非常庞大，温度很高，
很容易观测到。

我们还没准备好，

还不具备研究小型系外星球的技术。

不过尽管如此，

我还是想跟大家解释一下我们是
如何研究系外行星大气的。

大家可以想象一下彩虹。

如果我们可以近距离观察彩虹，

就能发现一些暗色的线缺失了。

这是我们的太阳，

白色的光被分解了，

不是被雨滴，而是被光谱仪分解了。

我们可以看到所有这些
暗色的竖线。

有的很窄，有的很宽，

有的边缘很模糊。

这实际上就是过去的一个多世纪以来，

宇航员们研究太空物质的方式。

在这张图中，每种原子和分子

都有一组特殊的谱线，

你们可以把它当做一种指纹信息。

我们就是利用这些信息
研究系外行星的大气成分的。

我永远也忘不了在20年前

刚刚开始研究系外行星大气的时候，

多少人告诉我，

”这根本行不通。

我们永远也不可能做到。
干嘛白费功夫呢？“

这也是为什么我很高兴的告诉你们
目前所有的关于大气的研究，

已经完全自成体系了。

那么对于那些在将来我们可以观测到的

其他行星，那些类地行星，

我们需要寻找哪些气体呢？

大家都知道，我们地球上的大气

含有20%体积的氧气。

这个含量是很高的。

不过没有植物和其它光合生物，

大气中就不会有氧气，

事实上连一丁点儿都不会有。

所以氧气的出现是因为生命的存在。

所以我们的目标就是要
找到其他行星的大气中

原本并不应该存在的气体，

或许可以归功于生命的存在。

那么哪些分子是我们需要寻找的呢？

我已经告诉过你们系外行星的
种类有多么繁杂了。

在我们寻找类地行星的过程中，

一定还会有更多种类的外行星出现。

这就是我目前正在从事的主要工作之一，

对此我有一番自己的理论。

这倒是提醒我了，几乎每天

我都会收到一封或者很多封电子邮件，

发件人都对重力或者宇宙物理学

提出了自己疯狂的理论。

不过，在此还是想提醒大家，
请不要再给我发这种邮件了。

（笑声）

我有一套自己的疯狂理论。

那么麻省理工的教授要跟谁探讨呢？

我曾经给一名诺贝尔生理学或医学的
获奖者发过邮件，

他说，”听上去还不错，
过来我们讨论一下吧。“

于是我就带上了两个
生物化学领域的朋友，

跟他介绍了一下我们的疯狂理论。

那个理论就是，
生命制造了所有的小分子，

不计其数的小分子。

几乎是作为一个非化学领域专家，
我能想到的所有分子。

比方说：

二氧化碳，一氧化碳，

氢分子，氮分子，

甲烷，氯甲烷——

太多太多了。

它们之所以存在也有很多其他的原因，

不过单单是生命，甚至就可以产生臭氧。

于是我们去跟他讨论了这套观点，

结果很快就被他否决了。

他找到了一个并不存在的气体的例子。

于是我们只好回去继续推导，

我们认为我们已经找到了一些
在其他领域中很有意思的东西。

回到系外行星这个话题，

重点是生命制造了这么多种气体，

差不多几千种。

我们现在的任务就是试图找出

哪些种类的系外行星上的哪些气体

可能是由生命制造出来的。

所以当我们在系外行星的大气中

找到了那些气体，

我们很难确定这些气体是怎么来的，

是由外星人制造的，
还是来自树木，

或者沼泽地，

或者仅仅是来源于简单的
单细胞生物。

所以建立一些模型，

应用一些生物化学的知识，

我们就会得到我们想要的答案。

那么在实际过程中面临的
最大挑战就是：要怎么做？

要怎么找到这些行星？

其实可以通过很多方式来寻找，

各种不同的方式。

不过我重点在研究的是
要如何实现这样一个途径，

在未来

可以让我们找到数百个类地行星。

我们事实上已经开始行动了。

我刚刚完成了一个
由我负责的两年项目，

在这个特殊的项目中，

我们提出了”遮星板“的概念。

遮星板是一个形状非常特殊的屏障，

我们想要将它送入太空，

遮挡恒星的光线，

这样就可以通过望远镜
直接观测那些行星了。

这张图上你们可以看到
我和两名项目成员，

正在展示遮星板的一块很小的局部。

它的形状就像一个巨大的花朵，

这是一片花瓣的雏形。

这个过程就是把遮星板和
望远镜一同送入太空，

遮星板的花瓣会从运载器上打开。

中心的桁架会展开，

花瓣也会迅速延展到位。

这个过程需要做到非常精准，

也就是说花瓣的精度要达到微米级，

定位的精准度要达到毫米级。

这一整个部件需要移动至

距离望远镜数万公里的距离。

它的直径大概有几十米。

它能够以难以置信的精度
实现对恒星光线的遮挡，

这样我们就能直接观测行星了。

它的形状必须十分特殊，

这是由物理学中的衍射现象决定的。

这是我们从事的一项实际的项目，

说真的，你们想象不出这有多难。

为了证明这并不只是一种假想，

给你们展示一个真实的照片，

这是实验室中的第二代
遮星板调试试验台。

在这个项目中，我只是想让你们知道

中心桁架装有

太空大范围无线电部署的一部分。

那么，在这一系列我们试图寻找

那些外行星中的神秘气体，

以及建造了极其复杂的太空望远镜

之类的艰难任务之后，

我们会有什么收获呢？

最好的情况是，

我们会获得另一个类地行星的图像。

这张图上的地球是一个淡蓝色的小点。

这是一张地球的真实照片，

由旅行者1号航天飞机

从40亿英里外的距离拍摄的。

那条红色的光线只是相机的
光学部件散射出的光。

想象一下，
如果存在着高智慧的外星生物，

正绕着我们附近恒星的行星运转，

它们搭建出了我们正在建造的

复杂的太空望远镜，

它们能看到的也仅仅是
一个淡蓝色的小点，

极其微小的光点，

这该有多酷啊！

有时候，当我停下来思考

我所面临的难题和我远大的理想，

这跟浩瀚的宇宙相比

真的不算什么。

不过尽管如此，
我还是打算奉献我的一生

来寻找另一个地球。

而且我可以保证，

用下一代的太空望远镜，

也就是第二代，

我们将会有能力找到并
识别出其他的类地行星。

我们也将能够分解恒星发出的光线，

能够找到那些气体，

获得那些大气中的温室气体成分信息，

估算星球表面的温度，

并寻找生命的迹象。

不过我们还有更长远的打算。

在寻找其他类地行星的同时，

我们还在制作一幅展示

附近恒星及其行星的新太空地图，

包括有可能适宜人类居住的（行星）。

我能够想像我们的后代，

在几百年之后，

能够通过星际旅行到达其他的星球。

他们能够回首我们这一代，

第一个发现类地新世界的一代。

谢谢大家。

（掌声）

June Cohen （JC）:
你先来提问吧 ，

有请罗塞塔任务的负责人，
Fred Jansen。

Fred Jansen：
你部分提到了

可以分析类地行星光谱的技术

还尚未实现。

你认为什么时候可以实现，

要如何实现呢？

莎拉·西格尔（SS）：事实上
我们打算依靠下一代的哈勃望远镜。

我们叫它詹姆斯韦伯太空望远镜，

会在2018年把它送上太空，

整个计划大概是这样的，

我们会观测一种特殊的行星，

叫做过渡系外行星，

那将是我们研究小行星上可能预示着

生命迹象的气体的第一次尝试。

JC：莎拉，我还有个大众一点的

问题要问一下你。

我真的对你的职业生涯中所面临的

反对声音感到很震惊，

也就是当你开始思考系外行星，

科学领域对它们是否存在持有

极端怀疑的态度，

你证明了他们是错的。

你是如何承受这些的呢？

SS: 作为科学家，

我们理应持怀疑态度，

因为我们的工作就是
要确认其他人的观点

是否是合理的。

但是作为一名科学家，

我觉得你们可能已经在这段演讲中看到，

我的职责更像是探索者。

这需要极大的好奇心，

固执，

还需要坚定不移的意志，

无论其他人说什么，都不能动摇。

JC：说的太好了。
非常感谢你，莎拉。

（掌声）