人類自古就一直好奇：我們是否是宇宙中的唯一生命？同時也希望有朝一日能找到來自其他星球的生命。多年來，科學家們一直沒有放棄這樣的努力。足不出“滬”能“漫步宇宙”，在宿舍中即可享受“星空浪漫”，抗疫期間，上海理工大學的“讓科研春風吹進復興園”系列講座請來了中國科學院上海天文臺葛健研究員，他在“空中”為學子們帶來了題為“尋找第二個地球和生命”的講座。

　　葛健是中國科學院空間先導地球2.0科學衛(wèi)星背景型號研究的創(chuàng)始人和首席科學家、達摩近鄰宜居行星巡天的創(chuàng)始人和首席科學家、科幻片《星際迷航》中的瓦肯星系外行星的發(fā)現(xiàn)者、全球首位找到系外行星的華裔科學家。

　　在講座中，葛健介紹了人類搜尋系外世界、尋找第二個地球的歷史和未來展望。大量前沿的天文科技成果在此次講座中被披露，也讓我們看到了天文學家們多年來孜孜不倦的探索和努力。

中國上古的傳說有一定科學依據(jù)

　　中國有很多關于上古的傳說，比如帝堯時代的后羿射日、夸父追日、牛郎織女的銀河相會等。過去很多人會將其聯(lián)想到文化層面，但葛健認為，其背后有大量的科學現(xiàn)象和依據(jù)，它們都涉及到人類永恒的三大話題：日月星辰、宇宙和生命。

　　“在后羿射日、夸父追日等傳說中，我們可以感受到，在上古時代，也就是大約4000—5000年前的全新世時期，華夏大地上是非常炎熱的。從目前科學研究看，1萬年前地球處于冰川期，而5000年前的地球溫度比今天的平均溫度高出2-3度，所以人們才會想到要趕走“多余”的太陽。河南簡稱“豫”，古代河南所在的豫州是中國九大州之一。豫是個象形字，原先由象形文字象和邑組成，即有象的城邦的意思，也就是說在甲骨文誕生的5000年前，大象就出沒于河南一帶，河南也因此得名“豫”。即使在戰(zhàn)國時期，楚國，即今日湖南和湖北等地還有犀牛的存在，愛國主義詩人屈原在《國殤》寫到的“操吳戈兮被犀甲”，就反映了這一現(xiàn)象。而我們都知道大象和犀牛喜歡在溫暖的環(huán)境中活動，因此可以從這些歷史記載中看出當年華夏大地的氣候更溫暖，和科學研究發(fā)現(xiàn)在全新世時全球變暖相一致。”葛健說，近些年地球也在走向變暖，去年發(fā)生了云南野象北遷的現(xiàn)象，位于北方的山西還發(fā)了大洪水，我們可以想象出5000年前的華夏大地可能和現(xiàn)在情況完全不一樣，當時的黃土高原很可能溫暖濕潤，非常適合生存，由此可以推測，中國古文明起源于黃河流域可能與全新世變暖有密切關系。

　　古人對于星辰也有濃厚的興趣，很多想象和傳說也有天文學依據(jù)。葛健說，比如中國人特別喜歡的牛郎星和織女星，我們發(fā)現(xiàn)織女星座看起來很像一把梭子，牛郎星旁邊有兩顆小星星，很容易聯(lián)想到這是他們的孩子。還有中國古代有七仙女下凡的傳說，事實上，織女星座中第二亮的星是一顆掩食變星，周期性地主星和次星相互遮掩，導致有時候看得見，有時候看不見。可以想象古人夏夜乘涼，看著星空發(fā)現(xiàn)這個星變暗看不見了，于是就很自然地會編出美妙的七仙女下凡的故事流傳至今。

　　盤古開天地和女媧造人的傳說也是源遠流長。在葛健看來，盤古開天地很類似宇宙大爆炸的起源，天地原來是混沌一片，劈開后創(chuàng)造了透明的天和渾濁的地。這種想象很類似當代最流行的大爆炸的宇宙起源說，宇宙大爆炸后不久，宇宙中充滿自由運動的質子和電子，宇宙一片渾濁，直到宇宙冷卻后，質子和電子的結合產生氫原子，宇宙變得透明，慢慢地氫氣云塌縮形成恒星、行星和星系，于是就有了“地”了。然后產生了各種元素，變成了今天宇宙的樣子。傳說中女媧捏土造人聽起來有些荒誕不經，今天我們也可以理解，因為人類身上所有的物質，其中所有的元素其實都來自宇宙塵埃。由此看來，古人借助自己想象和觀測產生一個個流傳至今的傳說背后，有源自生活的科學道理。這和現(xiàn)代科學研究探索萬物發(fā)生背后的機制確有點殊途同歸。

人類從來沒有停止對地外文明的想象

　　到了近代，人類開始擁有先進的觀測技術，他們把視野對準外太空，想象著地外生命的樣子。

　　帕西瓦爾·羅倫斯·羅威爾是一位美國天文學家、商人、作家與數(shù)學家。他還曾經寫過一本講述東方文明和文化的書。在他40歲的時候，偶然聽說意大利科學家發(fā)現(xiàn)火星上有人造水渠，他就自掏腰包，用了15年時間在美國亞利桑那州的弗拉格斯塔夫建立了羅威爾天文臺，在每個季節(jié)觀測火星上的各種詳情并記錄下來。葛健介紹說，羅威爾當時認為火星的兩極是冰蓋，火星上比較干燥，夏季冰蓋消融，大量的水通過人造水渠把兩極的水引入到火星的赤道上灌溉莊稼。非常惋惜的是，后來科學家利用更精密的望遠鏡觀測發(fā)現(xiàn)，這些溝槽只是自然結構，并非人工所建，沒過多久，遭受打擊的羅威爾就去世了。

　　“但是很多人過了很多年還是不相信火星上沒有高等生命，1938年10月30日，美國出現(xiàn)了火星人入侵的假新聞，結果引發(fā)了新澤西州很多人的恐慌。之后很多人認為雖然火星上沒有高等智慧生命，但是可能存在低等生命。1975年，美國實施了探測火星的海盜計劃，向火星發(fā)射了兩個探測器，分別前往火星的南北半球，兩個探測器將巖石和沙土放到特殊瓶子中檢測，一開始科學家很興奮，因為放入特別配比的‘雞湯’后，產生了氧氣和二氧化碳等氣體。但是之后他們用色譜儀去檢查其中的化學成分，結果發(fā)現(xiàn)其中沒有任何有機分子，說明火星上沒有低等生命。”葛健介紹說，這次發(fā)現(xiàn)讓科學家們十分失望，但是人類還是不甘心，業(yè)余天文愛好者從火星軌道器拍的數(shù)以萬計的火星表面圖中，竟然找到了一個猴頭圖案，他們就猜測就算現(xiàn)在火星上沒有生命，不代表火星上不存在古代文明。后來美國國家航空航天局發(fā)射的火星探測衛(wèi)星——火星全球探勘者號沿著火星上的河床到干枯的湖泊去尋找生命痕跡，但是依然一無所獲。同時，它拍攝的更高分辨率的火星表面照片核實“猴頭圖”是地質現(xiàn)象所致。

　　這個時期也是科幻事業(yè)發(fā)展的高峰階段。20世紀60年代出現(xiàn)了科幻電視系列《星際迷航》，它描述了一個樂觀的未來世界，人類同眾多外星種族一道戰(zhàn)勝疾病、種族差異、貧窮、偏執(zhí)與戰(zhàn)爭，建立起一個星際聯(lián)邦。隨后一代又一代的艦長們又把目光投向更遙遠的宇宙，探索銀河系，尋找新的世界，發(fā)現(xiàn)新的文明，勇敢地涉足前人未至之地。阿西莫夫的科幻小說《銀河帝國》給了很多電影人靈感，之后的《星球大戰(zhàn)》系列科幻電影，描述了幾千個星球決定脫離銀河共和國獨立的故事，一批人逃離到一個雙星系統(tǒng)周圍的塔圖因（Tatooine）沙漠星球上。葛健說，今天我們已經發(fā)現(xiàn)了銀河系中20多個類似的雙星系統(tǒng)。我們也可以猜測，中國上古時期提到的10個太陽，很可能也是一種天文現(xiàn)象。值得一提的是，近年來登陸火星的探測器拍攝的火星日落圖和《星球大戰(zhàn)》電影中塔圖因日落圖很相似。這說明人類的想象和宇宙中存在的現(xiàn)象有很強的關聯(lián)。

　　20世紀80年代，美國出品了《外星人》科幻電影，該片講述小男孩艾里奧特與外星人建立純真友誼的故事。前些年中國科幻小說《三體》問世，其中最精彩的無疑是闡述了宇宙生存法則——黑暗森林法則。

　　葛健說，去年是火星探測的豐收年，登陸探索火星的就有美國的毅力號火星車和機智號火星直升機，以及中國的祝融號火星車。令人高興的是，中國天問一號實現(xiàn)了“繞”“落”“巡”一次完成，一次就實現(xiàn)了美國持續(xù)了30年完成的工作。

成為藍色地球有多難？

　　人類在探測生命火星的同時，也把目光投向了離太陽更近的金星，想了解更多金星的秘密。金星是太陽系中環(huán)境最為惡劣的行星之一，金星地表高達460多度，基本是我們家用烤箱的日常溫度。金星的大氣壓是地球大氣壓的90倍，相當于海平面下大約900米深處的壓強，大氣層內還有很強的氣流，金星也被喻為“地獄星球”。1970年，蘇聯(lián)發(fā)射了金星7號，可以承受180個大氣壓和540度的高溫，但是僅僅工作了23分鐘就與地球失去了聯(lián)系。

　　為什么距離太陽的遠近與地球差不多的金星和火星都不適合人類居住？唯有我們藍色的地球如此的美妙和動人呢？葛健在此次空中講座中給出了科學的答案。

　　葛健介紹說，在剛誕生的時候，金星和地球的狀況差不多，但是金星距離太陽的距離是地球距離太陽距離的 70%左右，其每平方米上獲得的太陽能量是地球上同等面積的2倍。于是金星上大量的水變成了水蒸氣，這些水蒸氣彌散在金星的大氣中，不斷地吸收來自太陽的熱輻射，并進一步加熱地表和大氣，地面上更多的水變成了水蒸氣，而水蒸氣再也無法變成液態(tài)水。在太陽的紫外線的照射下，氣態(tài)水分子漸漸分解為氧氣和氫氣，質量較少的氫氣就慢慢逃逸出了金星大氣層，此后氧原子和碳原子慢慢結合，逐漸變成了二氧化碳，這被稱為是“失控的溫室效應”。假如把地球放到金星所在的位置，也會出現(xiàn)金星這樣的情況，所以我們要保護環(huán)境，控制二氧化碳排放，預防“失控的溫室效應”的出現(xiàn)。而火星的情況是距離太陽太遠，得不到足夠能量，連二氧化碳都被凍成了干冰，而且因為引力不足，無法固定住足夠多的大氣。

　　“地球是一個特殊的存在，它正好處于距離太陽不近不遠位置，公轉周期恰好是一年，這里水以液體存在，這個軌道帶就是今天我們所說的宜居帶。當然，不同質量的恒星周圍的宜居帶不一樣，質量越大的恒星宜居帶離恒星越遠。”葛健說，天文學家之前認為處于類太陽恒星中宜居帶的類地行星（即第二個地球）在銀河系中數(shù)量不少，它們上面很可能存在生命。但沒有想到的是，要找到“第二個地球”難度并不小。

開普勒計劃的“失敗”

　　人類對于太陽系外行星的高度關注源自1995年，那年的10月，兩位瑞士天文學家利用法國境內的Haute-Provence 天文臺的1.93米望遠鏡發(fā)現(xiàn)了首顆系外行星“飛馬座51b”。在離飛馬座51恒星800萬公里的地方，有一個和木星差不多大小、公轉周期為4.2天的行星。這一發(fā)現(xiàn)成為人類歷史上最重要的事件之一，該發(fā)現(xiàn)證明了太陽系并不孤單，也激起了人類對系外生命的思考，以及對人類在宇宙中的地位有了重新認識。兩位天文學家也因此獲得了2019年諾貝爾物理學獎。

　　為了更好認識系外行星世界，美國從2001年開始醞釀開普勒計劃，該計劃的太空運行時間從 2009年開始到 2018年結束，主要科學目標是發(fā)現(xiàn)類太陽恒星在宜居帶內的類地行星（即第二個地球，或地球2.0），進而測量地球在宇宙中的發(fā)生率。多普勒計劃利用 0.95 米的廣 角望遠鏡對105平方度視場的類太陽矮星觀測了整整4年，這片天區(qū)的附近天區(qū)包括我們很熟悉的天鵝座、牛郎星座和織女星座。

　　葛健介紹說，天文學家尋找行星有兩種主要的辦法，一種是多普勒視向速度技術法，另一種是凌星法。視向速度法就是測量觀測目標的光譜線的多普勒效應。假如我們站在高鐵站的站臺上，火車進站的時候，會發(fā)現(xiàn)聲音頻率變得越來越高，但是離開的時候，聲音會變得越來越低沉。這就是多普勒效應。當一個星系遠離我們所在的銀河系時，這個星系的光譜線就會向波長更長、頻率更低的紅色方向部分移動，我們將這種現(xiàn)象稱之為“紅移”。當這個星系移向我們所在的銀河系時，星系的光譜就會向波長更短、頻率更高的藍色一方移動，這叫做“藍移”。科學家利用“紅移”和“藍移”特性可以測出恒星周圍行星的質量和公轉周期。所謂凌星法，很像我們平時觀察到的日食現(xiàn)象，當月球進入地球和太陽之間的直線視線中，從地球上觀測太陽，就會發(fā)現(xiàn)月球擋住了太陽光，地面會變暗。推廣到天文觀測中，科學家們認為，只要行星經過恒星前面，就會擋住恒星的部分光亮，行星面積越少遮擋恒星的部分就會越小，面積越大遮住的部分會越大。所以只要能計算遮擋面積和恒星面積的比和恒星的大小、以及遮擋的周期時間，就可以計算出行星大小和軌道周期。

　　令人遺憾的是，雄心勃勃的開普勒計劃發(fā)現(xiàn)了4000多顆行星和候選者，包括幾個可能繞著小質量恒星的宜居帶行星，但是始終沒有找到“第二個地球”。而且開普勒計劃發(fā)現(xiàn)銀河系大約90%的行星都分布在比太陽系的水星軌道更近距離的軌道上，這與之前的設想有很大差別。

　　葛健介紹了開普勒計劃發(fā)現(xiàn)的類太陽周圍的宜居行星候選者的情況。其中，開普勒—22B行星的主恒星質量是太陽的 0.97倍，距離太陽系大約600光年，開普勒—22b行星的公轉周期是289.9天，但其半徑是地球的2.4倍，科學家猜測這個行星質量大概是地球的10倍，并可能有很厚的大氣層，行星表面環(huán)境可能與金星相似，不適合生命生存。還有兩顆類似的行星，其中一顆質量是地球的2倍多，另一顆是地球質量的 5 倍左右，科學家們猜測其引力過大，導致地下巖漿到處噴發(fā)，行星表面充滿了火山巖，與科幻電影《星球大戰(zhàn)》最后決戰(zhàn)時所在的穆斯塔法星球的模樣十分類似，也多半不適合生存。

　　半人馬座是距離地球最近的恒星系統(tǒng)，包括 3 顆恒星，其中明亮的兩顆恒星是半人馬座α星和半人馬座β星。2016年，西班牙科學家發(fā)現(xiàn)其中很暗的紅矮星——比鄰星（0.12 個太陽質量）附近有一顆公轉周期僅為 11.2 天，質量為地球的 1.3 倍的宜居的行星。可以設想在紅矮星照耀下的行星與地球上的白天景色很不相同， 天空總是呈現(xiàn)出紅色，類似于地球上的夕陽場景。

　　2017年，又有比利時科學家在距離地球 約40 光年的一顆叫Trappist-1的紅矮星 （0.08太陽質量）附近發(fā)現(xiàn)了7顆類地行星，其中包括3顆宜居行星， 比較有意義是這7顆星離母星的距離，比地球與月球的距離都小。葛健說，站在這個宜居帶中的行星上會發(fā)現(xiàn)很奇幻的景色，天上始終會有6個在不同位置的玫瑰色的月亮，有的是圓月，有的是弦月，有的是半月，感覺這里是情侶在情人節(jié)時度假的好地方。

　　但是科學家并不認為這些小行星上會有生命。葛健介紹說，小質量紅矮星周圍的宜居行星面臨的挑戰(zhàn)之一是存在潮汐鎖定現(xiàn)象，也就是行星的一個半球始終對著恒星，異常炎熱，另一個半球則異常寒冷，被冰層覆蓋，不利于生命的形成和演化。而且紅矮星表面的耀發(fā)火焰要比處于中青年時代的太陽的耀發(fā)火焰強烈100—1000倍，灼熱的火焰會無數(shù)次地掠過這些小行星，就算有生命也多半被毀滅在萌芽中。

“第二個地球”的搜尋計劃

　　經過多年探索，科學家們對“第二個地球”達成了以下共識：行星的半徑上限不能超過1.25個地球半徑，下限是不能小于0.8個地球半徑。

　　葛健團隊開始尋找系外宜居行星始于 2010年，當時一位佛羅里達大學的校友主動捐贈了一筆科研經費，資助團隊研制下一代具有超高視向速度測量精度的高色散光學光譜儀，用以尋找太陽系附近的類太陽恒星周圍的“第二個地球”。一開始葛健團隊使用田納西州立大學的直徑2米的自動化望遠鏡來搜尋系外行星，但是使用這臺望遠鏡不僅觀測時間沒法保證，而且望遠鏡的透光率也很低，影響測量精度。葛健團隊希望有專用的望遠鏡來做系外行星搜尋，這位校友得知情況后又一次慷慨捐贈，支持葛健團隊建設全自動達摩巡天望遠鏡。

　　達摩巡天望遠鏡位于美國亞利桑那州的棱蒙山上，2015 年9月開始動工建設，于2016年10月10日投入科學觀測。葛健說，經過一年多的搜尋后，葛健團隊于 2017年發(fā)現(xiàn)波江座 40A 周圍有一顆行星。這顆系外行星距地球約16光年，母星是一顆同太陽相似的恒星，被編號為 HD 26965。這個行星的質量是地球的8.5倍，軌道周期只有42天。葛健介紹說，根據(jù)各種觀測數(shù)據(jù)，我們判定它上面可能到處是火山，南北極可能有磁場和極光。

　　波江座 40A 在《星際迷航》電視劇中被想象為外星男主人公斯波克的故鄉(xiāng)“瓦肯星”的母星，電視劇本中提到“瓦肯星” 離母星很近且質量大。因為炎熱和多火山，瓦肯人都住在山洞中等等。沒有想到的是，葛健團隊發(fā)現(xiàn)的行星和劇本中描述的 “瓦肯星”如此相似。這就意味著葛健團隊在無意中竟然找到了現(xiàn)實中的“瓦肯星”。這再一次意味著人類科幻電影中的星球想象可能會在現(xiàn)實中出現(xiàn)。

　　2018 年，葛健受邀來中國科學院上海天文臺開展“未來天文技術發(fā)展戰(zhàn)略”的調研和探討。他很快發(fā)現(xiàn)上海在空間科學衛(wèi)星領域方面有很好的技術基礎，于是在2019年依托上海天文臺，聯(lián)合上海科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新院、技術物理研究所等國內外大學和研究所的幾十位科研人員一起提出了以“空間凌星技術”為探測手段的“地球 2.0”即 ET 的科學衛(wèi)星研究計劃，并于2020 年6月獲得科學院空間先導項目的支持。根據(jù)計劃，科學家們將在衛(wèi)星上安裝6臺凌星望遠鏡和一臺微引力透鏡望遠鏡，并將500平方度的寬視場凌星望遠鏡對準開普勒計劃觀測過的天區(qū)，以及它的附近天區(qū)，連續(xù)觀測4年，開展第二個地球的搜尋，同時將會把微引力透鏡望遠鏡對準銀河系中心區(qū)域，去搜尋冷地球和流浪地球。

　　根據(jù)ET 的科學衛(wèi)星研究計劃，團隊開展了系外行星搜尋的模擬仿真。結果表明，在計劃執(zhí)行的前四年，團隊有望發(fā)現(xiàn)10多個和地球相似的行星候選者。葛健告訴在線的師生們，如果計劃能執(zhí)行八年時間，將有望找到40多個和地球類似的行星，“我們也期待在織女星座中的類太陽恒星周圍發(fā)現(xiàn)適合牛郎織女后代居住的類地行星。”

夢想還在延續(xù)

　　目前，美國計劃研制探測系外行星的新時代望遠鏡，其中一種衛(wèi)星探測器的機械部分上天打開后就會變成花瓣形狀，可以擋住遠處的恒星的光，從而可以更清楚地直接看到恒星周圍的行星，科學家能直接獲得它們的光譜，測量行星大氣和表面的組成。中國的空間站上也將建設直徑為2米的望遠鏡系統(tǒng)，也可開展巨行星的直接成像觀測。葛健說，未來我們將會把行星“看”得更加清楚。

　　葛健向師生們展示了一張地球的朦朧圖，那是未來希望在30光年之外看到的地球模樣，雖然模糊，但是可以看到上面的藍色海洋和綠色植被。“我們希望未來能夠如此清晰地看清楚遙遠的‘第二個地球’。這是人類的夢想！也許未來我們真的能夠找到地外生命，找到地外文明，能夠與其溝通和交流。同時我們也希望利用中國人的智慧、技術和思想，去引領未來中國的科學強國夢！”

　　最后，葛健寄語上海理工大學的學子們：中國現(xiàn)在處于高速發(fā)展的創(chuàng)新時代，要敢于放飛自己的好奇心和想象力，點亮思想的火花，大膽想象和冒險，努力探索和核實，百折不撓地去實現(xiàn)自己的夢想，成為中國的“馬斯克”和“愛因斯坦”。美麗的星空等待中國人的探索和發(fā)現(xiàn)。

來源：上海科技報 記者：吳苡婷

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