搜尋系外生命信號的天鄰計劃(I)

        光明網 2021-03-11 19:00:06

        自懵懂之日起,初探生死之后,不思則已,一思則感極恐。“我”為何有幸“投胎”為人?且有幸生于和平發展年代?然則,為何又會死?我死之后,宇宙會不會哀痛而“哭死”?等下,宇宙是什么?它從何而生?會不會死?別的星球有生命嗎?我死之后會去別的星球重生嗎?對了,喝孟婆湯一定要假喝,不要真吞下去了,切記切記!

        幼時真是目空一切,心比天高,美曰“有理想”。有人說過,“做人要是沒有理想,那和咸魚有什么區別”,深以為然。

        每每想起宇宙和生命的起源及終結,頭疼、心怯卻又好奇不已。也因此,兒時的夢想是成為宇航員。“世界這么大,我想去看看”。但眼睛近視以后,上天的機會沒了,那就學天文吧,用望遠鏡也可以看。而且,據說學天文都要讀研究生,或許某天可以很帥地說:“掃地只不過是我的表面工作,我真正的身份是一位研究僧”。

        進入北大天文系之后,我一度也很彷徨。盡管天文是個小眾學科,但其研究對象卻很大、很多,比如當時極為熱門的星系宇宙學、類星體、恒星形成,不太熱門的脈沖星、行星狀星云等等。學什么呢?都有點興趣,但也沒覺得太有意思,直到2003年的一個講座。

        那時,距離日內瓦大學的Mayor和Queloz教授發現第一顆圍繞主序星的系外行星已有8年。這一發現,揭開了系外行星研究的序幕,引發了國際天文界極大的熱情,師徒二人也因此獲得2019年諾貝爾物理學獎。然而,上個世紀末的網絡并不發達,加上當時從事相關研究的中國天文學家極少,歐美競相追尋和研究系外行星的熱潮尚未傳到中國。

        圖1. 2019年諾貝爾物理學獎得主(圖源:瑞典皇家科學院)

        2003年,華裔天文學家林潮教授來北大做了個關于行星形成的報告,點燃了我心中濃烈的好奇心,不禁幻想這些系外行星里會有什么樣的外星生物,以及如何能夠找到他們。其時,我已提出利用多波段測光方法可以研究行星大氣,可惜思路有點太超前,被罵得體無完膚,掩面而走。“我要寫一個慘字”,但我不會放棄它的。

        圖2. 某白矮星的視向速度變化,周期信號明顯可見(圖源:王煒,未發表數據)

        幾經周折,我于2008年赴德國馬普天文所跟所長Thomas Henning教授開展博士后工作期間,才開始正式接觸這個領域。當時的課題之一是利用視向速度方法搜尋白矮星周圍的行星。當然,我們的目標是光譜中有金屬線的特殊類型白矮星。我們發現了一顆白矮星的視向速度可能存在周期性變化(圖2),奈何精度不夠,信者寥寥,以至于多次投稿被拒。“我要寫一個慘字”,但我不會放棄它的。

        圖3. 我國天文學家首次測量到的系外行星熱輻射(紅色數據點),結合模型光譜,成功限制了它的化學成分(圖源:Wang et al. 2013)

        與此同時,我也開始探索和學習如何研究系外行星大氣。這樣的研究對觀測精度要求很高,對觀測設備和觀測模式有特殊的要求,當時并沒有多少成功的經驗。寫了很多個“慘”字之后,終于在2013年完成了第一次成功的觀測和數據分析,精度達到了萬分之1.7,成功測量了一顆熱木星的溫度,限制了其大氣的化學成分(圖3)。還好沒放棄,覺得離搜尋外星生命又進了一步了。

        研究太陽系外是否存在生命,在21世紀之前都像是玄學,在1961年前更是,那時還沒有發現任何系外行星,更別說把生物和天文結合起來了。德雷克教授于1961年提出了著名的德雷克公式,用于推測在銀河系內,可以與我們接觸的外星智慧文明數量。公式很著名,我就不抄寫了。思路沒問題,但因變量太多太難估計,其推測結果做多相差18個數量級。玄不玄學?

        滿懷對生命現象的好奇,我也曾糾結于是否轉學生物學,但想象中帶著厚厚的眼鏡貼著小小的顯微鏡目鏡,感覺有點暈,終于放棄。“嘿,少年崽,沒必要糾結啦,一門新的學科不久就要誕生了,殊途同歸而已”,此時回想起來,真想拿著月光寶盒穿越到過去拍拍自己尚且瘦削的肩膀調笑幾句。

        是的,進入21世紀,新興交叉學科天體生物學(Astrobiology)來了。兩條原本認為不可能相交的平行線,一個用望遠鏡、一個用顯微鏡的學科,居然有了交叉!自此,我開始更多的思考如何研究系外行星尤其是類地行星的性質,探測其中蘊含的分子和生命信號。越研究越發現,我們在高精尖設備方面落后太多了,利用我們自己現有的設備無法開展一流的科研工作,像是“死跑龍套的”。

        到了21世紀20年代,隨著天文設備的高度發展,空間技術等關鍵技術的發展,我們似乎看到了在有生之年利用望遠鏡搜尋太陽系附近生命信號的希望。美歐科學家已提出了多個耗資達幾十上百億美元的大型空間望遠鏡計劃,雄心勃勃,力圖奪取這一天文學乃至整個自然科學的圣杯。

        近年來,隨著國家對于空間天文、深空探測的重視,隨著中科院的空間科學先導專項的蓬勃發展,在國家天文臺趙剛、劉繼峰等人的倡導和推動下,在中國空間站2米望遠鏡順利推進的基礎上,我們已逐步形成了發展自己的大型空間望遠鏡專用于搜尋系外生命信號的方案,取名為天鄰,由“天涯若比鄰”引申而來,寓意為尋找天上的鄰居。英文名字為HABItable Terrestrial planetary ATmospheric Surveyor (縮寫為HABITATS,意為棲息地)。

        終有一日,我們或將駕駛宇宙飛船,到達其他有生命的星球。在那里,也有位達叔說,“娘子呀,快跟牛魔王出來看上帝”!

        最后,我是中國人,我們都是主角。

        作者簡介:王煒,國家天文臺研究員,現任中科院南美天文中心副主任,主要研究太陽系外行星,負責推動天鄰計劃。參與撰寫天文專業書籍《現代天體物理》和天文科普書籍《觀天者說》。

        關鍵詞: 搜尋 生命 信號 計劃

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