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为什么我们还没有找到第二颗地球呢?

2019-11-29来源:崇左生活

:考虑其中所涉及到困难,一旦发现了任何一个都会使人感到惊讶。

太空中事物的规模大得离谱。我们已经发现的离我们最近的太阳系外行星是波江座ε星b(也被称为天苑四b),距离约为10.4光年。如果把太阳看作一个棒球那么大,那么天苑四b与太阳的距离相当于纽约到巴黎的陆地距离,而天苑四b的轨道就像是一个约30米宽的圆环,它自己本身可能和一颗豌豆一样大。之所以说“可能”,是因为这相当于拍摄一个在5800公里(3600英里)外的比小木盒子还要小得多的东西,目前天文学家们仍然没有办法做到这一点。


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除了要克服距离远的困难,同时还要面对的困难是我们要在一个巨大的明亮的物体旁边寻找一个微小的暗淡的物体,然而事实是即使使用最先进的望远镜去看另一个太阳系时,我们能看到的也仅有一个发光的小像素点而已,尽管如此,我们仍然在其他恒星周围发现了超过760个行星(几乎全部是在过去的10年中发现的),最远可达27700光年(跨越了银河系的四分之一)。


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天苑四b的轨道清空了尘埃带中的一个区域。

在我们的太阳系中, 我们通过拍照并从照片上逐一寻找的方式, 发现了一些新的行星(被称作“矮行星”)。然而,为了找到太阳系外的行星(“系外行星”),我们不得不依赖于那些能够找到巨大的且靠近太阳的行星的方法,并且不太可能找到又小离太阳又远的行星。这就是为什么我们还没有找到任何真正的类地行星的基本原因:它太小而且离太阳太远,所以不易被发现。


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(图下小字:截止2012年5月发现的767颗系外行星的轨道距离与质量的关系。为了进行比较,我们将太阳系的行星也包括在内。假如使用类似技术的外星文明也许能够看到木星,但仅此而已。)

目前寻找系外行星最常用的技术是“径向速度”技术和“凌星”技术。

一颗绕轨道运行的行星环绕它的主恒星做一个巨大的圆圈圆周运动,但与此同时,恒星本身也被它的行星影响做着一个小的圆周运动。影响非常小,但确实会产生一些非常有趣的结果。在我们的太阳系中,有两个小行星群共享木星轨道。在一个简单的轨道系统中(没有“太阳摆动”),一颗行星大小的东西会迅速吞噬共享其轨道的所有物体。


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然而,由于木星重到足以使太阳摆动,情况更加复杂,并且奇怪的木星-太阳-摇摆的动力造成了“拉格朗日点”,让小行星轨道永远稳定(也许所有的行星都至少有一些这些小行星在它们的轨道,但木星的最容易找到)。


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然而,对天文学家来说,更重要的影响是恒星的物理运动,比如说,由于从地球上的和地球周围的望远镜里观察恒星,它在向前或向后移动,这会导致存在轻微(非常轻微)的多普勒频移。当恒星向离我们更近的方向摆动时,会出现蓝移,它朝远离我们的方向摆动时,会出现红移。相比之下,木星使太阳以约45公里/小时(28英里/小时)的速度来回运动。45公里/小时的速度远远低于光速,因此木星使太阳产生的红移和蓝移很小。为了看到这种微小的多普勒效应,需要一颗大行星绕轨道快速转动而产生的摆动来帮助我们。行星有各种不同的颜色,所以如果行星来回摆动需要数年时间,很容易认为行星有点变蓝或变红,可能是因为它的温度变得更热或更冷而不是因为它的运动导致的。但是,如果一颗恒星每隔几天就会来回移动一次,并且有一个非常规律的周期,那么就可能在它周围发现一颗绕行轨道离它很近的系外行星。


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另一方面,凌日技术会更好一些这个概念就像是我们盯着恒星等待着它发生“日食”。当一颗系外行星运行到它的恒星和我们的中间时,它会挡住它的恒星一部分,这会让那颗恒星看起来变得暗一些。当地球运行到太阳前面时,假如一个外星文明用这种方法将会看到太阳变暗大约0.0086%。不幸的是,由于太阳黑子和其他变化莫测的“太阳天气”,太阳和别的恒星之间这种亮度会自然地变化约0.1%,这完全掩盖了一颗地球大小的行星产生的影响。


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(图下小字:究竟是行星?太阳黑子?还是镜头上的污点?只有时间和统计分析才能说明问题。)

可以利用这样一个事实来解决这个问题:虽然恒星里亮度的变化大多是随机的,但由于一颗行星从它前面经过而引起的变化却是非常有规律的。观察足够长的时间后,就能探测到微小的重复的由行星造成的亮度变暗。也就是说,真正想要的是一颗大行星,它可以阻挡更多的光,并使调暗更明显,而且它的轨道也很短,所以可以看到它多次凌星现象,这样更容易区分自然变化和行星引起的变化。不幸的是,凌星技术的一个不足之处就是,最多只能发现不到1%的行星。如果没有凌星现象的行星,将永远看不到它。


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(图下小字:从地球上看,系外行星的轨道是随机的。有时它们排成一行以便我们能看到它们凌星,但通常不会。)

找到一颗类地行星需要很多耐心,需要更强大的望远镜和望远镜阵列,但这只是一个工程问题。这只是个时间问题(甚至可能不是很久!) 一旦找到,下一个挑战将是确定这些新发现的地球般微小的行星上是否覆盖着植物和生物。已经有一些想法了,比如分析这颗系外行星的大气层,以寻找生命的迹象(特别是水蒸气和氧气)。虽然听起来是不可能的,考虑到我们实际上无法拍摄系外行星的照片(而且,每次观察一颗恒星时,都仅能看到一个发光的点而已),但是我们实际上已经设法尝试几次了! 不幸的是,我们看到的第一个大气层只是可观察的而已,因为它们正在形成巨大的“彗星尾巴”,被“热木星”吹离它的表面,实际上是在它们的主恒星的远距离轨道内运行造成的。所以,虽然不是类地行星,但我们正朝着正确方向努力。很有可能,我们会在另一个太阳系的适居带内发现一颗地球大小的行星,并能在未来几十年内确定是否有生命存在。如果哥白尼今天还活着,他一定会很高兴。

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