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哈勃望遠鏡的繼任者將担負尋找外星生命重任
哈勃望遠鏡的繼任者將担負尋找外星生命重任
中科院物理所     阅读简体中文版

盡管利用詹姆斯•韋伯望遠鏡研究類地行星并非最佳方案,但系外行星研究人員已經開始和天體物理學家爭奪該望遠鏡的使用權。

  

詹姆斯•韋伯空間望遠鏡(JWST)

圖片來源:NASA

二十年前,你可以用雙手和雙腳數出所有已知的行星。如今,你卻需要一個計算器和電子表格:成千上萬繞著其他恒星轉的系外行星已經填滿了我們的目錄。找到上萬系外行星對天文學家來說已經不再是新鮮事了。

大多數的系外行星都是炎熱、荒涼、彼此之間很不相同的氣態巨行星,比如“熱木星”或者“溫暖亞海王星”。但也有些星球就像我們地球的超大版:由巖石組成、條件溫和的“超級地球”。僅有少數幾個與地球尺寸、質量和軌道相似的星球。相關統計表明,每個恒星都有繞著它轉的行星,并暗示離地球最近的恒星可能不到12光年的距離——在天文上,這個距離實際上相當于比鄰而居。然而,科學家依然不能確信上述與地球相似相鄰的行星是否真正存在。最終何時以何種方式發現它們,取決于不久未來的技術手段。

我們發現的大多數令人興奮的系外行星,都來自于美國宇航局尋找行星的開普勒計劃(Kepler mission),但這一空間望遠鏡觀察的對象往往過于暗淡和遙遠,這對進一步的研究造成了極大的困難。開普勒計劃的最新階段,即K2,正在尋找更近、更亮恒星周圍的行星。這一任務可能到2017年才會有進一步發展,美國宇航局打算在這一年發射開普勒望遠鏡的后繼者——凌日系外行星巡天測量衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite ,TESS)。與開普勒類似,TESS會搜尋行星穿過恒星表面時留下的陰影。TESS可能會發現數千個系外行星,其中可能有數百個是較小、且由巖石組成的。而這些由巖石組成的較小行星中,又有少數一部分能從星光暗淡的“M矮星”中獲得足夠的星光,使其表面能有液態水。

也就是說,TESS可以在附近找到少數適合居住的行星,甚至上面已經有了生命。為了對其了解更多,天文學家將從遠處探測各個星球的大氣層,并利用光譜儀尋找溫和的大氣特征,如水蒸氣和二氧化碳,或許還能通過細菌產生的甲烷以及植被光合作用產生的氧氣來發現潛在的生命跡象。

在21世紀20年代, 一些配置30米或者更大直徑鏡頭的 “極大望遠鏡”來可能會在地面對TESS和其他航天器發現的非常明亮、距離近且適合居住的星球進行測量。但是研究者一致認為,研究這些行星的生命跡象是最好在太空中完成,這樣可減少地球混雜大氣的干擾。

天文學家已經把老化的哈勃和施皮策空間望遠鏡的能力發揮到了極致,卻還只能粗略探測太空中大的、熱的、不適合居住的星球。而只有NASA耗資90億美元、預計2018年投入使用的詹姆斯•韋伯空間望遠鏡,有希望在任一時間跟進TESS的重大發現——能實時向大眾和國會匯報最激動人心的進展,對望遠鏡計劃的發起者來說自然是至關重要的。

不過,對于韋伯望遠鏡到底能夠帶來多大希望,不同人的看法也不一樣。空間望遠鏡科學研究所(the Space Telescope Science Institute)韋伯項目的科學家賈森•凱利拉伊(Jason Kalirai)對其抱有樂觀的態度:“利用它,我們可以在圍繞M矮星運轉的‘超級地球’周圍大氣中檢測出二氧化碳、甲烷和水蒸氣。”但同一家研究所的天文學家杰夫•瓦倫蒂(Jeff Valenti)則認為韋伯項目的前景更加不確定一些:“韋伯望遠鏡能否成功在M矮星附近發現宜居星球的特征還得靠老天說話,”他說,“我們要去嘗試嗎?我們當然會去嘗試。但是一定會有結果嗎?我持懷疑態度。”

尋找生命,發現大氣

韋伯望遠鏡配備低溫冷卻探測器和巨大的6.5米的鏡頭,因此在紅外波段有著很強的分辨率,能夠檢測一些TESS凌日行星的大氣層。當一個行星正在凌日、處于恒星陰影處時,韋伯望遠鏡可以嘗試通過收集穿過行星大氣層的恒星星光來獲得大氣成分和結構的信息。韋伯望遠鏡還可以通過觀察行星離開凌日位置的時候(如行星跑到恒星的后面、被恒星掩蔽的時候)恒星亮度的變化來估計星球表面的溫度。

韋伯在尋找離太陽系外生命特征這一方面能起到多大的作用,很大程度上取決于運氣。如果TESS沒有找到任何關于圍繞M矮星的超級地球的信息,韋伯望遠鏡就難以進行下一步觀測。韋伯望遠鏡設計的初衷是為了研究宇宙中第一代恒星,并不是宜居行星,并且其設備在天文學家認識到它可以研究潛在的系外行星之前就已經設計好了。探索更大,更明亮,更類似太陽的恒星周圍的類地行星將已經超出韋伯望遠鏡的要求,這類探索任務需要新穎的、充滿挑戰的光學技術,而這些技術已經不能趕在發射前加入到望遠鏡中了。

由于在M矮星周圍至少有一個潛在的可居住的超級地球,最安全的做法是僅僅用韋伯望遠鏡確認這顆行星擁有大氣層。即使這個行星真的擁有大氣層,把它歸入“可能適合居住”的星球還遠遠為時過早。M矮星本身作為恒星,就為其行星的宜居性帶來了很多不確定性和有挑戰性:在該恒星宜居帶中的行星受到非常強大的恒星耀斑的擊打,此外,它的行星可能還是“潮汐鎖定”的,即始終保持一面朝向恒星。

爭分奪秒

對于韋伯望遠鏡的委員會而言,如何分配韋伯望遠鏡的使用時間將是一個讓人頭疼的任務,在2018年望遠鏡發射升空前他們將對此進行協商。但是韋伯望遠鏡研究的行星中,不適宜居住的行星數量可能會遠遠超過宜居星球的數量。“在M矮星周圍的行星許多都是熱木星這樣的情況下,我認為韋伯望遠鏡在某種意義上有大材小用之嫌,”高迪說,“這就像用大錘去錘小釘子……實際上,你可以用較小的工具完成。但也有人會認為,最好、最先進、最昂貴的設備,應該用在只有它能完成的任務上,盡管不一定是最適合的。”——例如觀察超級地球。

根據ExoPAG,解決這一僵局的潛在方案是把韋伯望遠鏡關于氣態巨行星的研究分配給另外一個空間任務。使用一個更小、更便宜的空間望遠鏡專門研究數百顆熱木星和海王星的凌日時的大氣層。這一任務計劃于本世紀二十年代中期構建和啟動,那時韋伯望遠鏡已經快要退休了。

天文學家近期已經提出了這樣的任務,并獲得了些許結果。2013年美國宇航局通過了一項叫做快速紅外系外行星光譜探測((Fast Infrared Exoplanet Spectroscopy Survey Explorer ,FINESSE)的方案,可以用來支持TESS計劃。去年,歐洲航天局通過了一個類似開普勒的計劃,即行星凌日和恒星振蕩(Planetary Transits and Oscillations of Stars,PLATO)計劃,該任務將于2024年啟動,用以代替用來測量氣態巨行星的EChO(系外行星表征觀測站)計劃。現在,大家都開始意識到韋伯望遠鏡觀測時間有限這一殘酷的事實,兩方已經在重新考慮他們的觀測機會。歐洲EChO項目組已提交了一份新方案,稱為ARIEL。美國FINESSE項目組聽說也正緊鑼密鼓地準備一項新方案。

“這些項目的部分任務是要尋找并研究我們離我們最近的‘表親’——另一個地球,并試圖發現上面存在的生命跡象,但是它們的另一個目標,也是希望去理解整個行星家族。”馬克•斯溫(Mark Swain)說道。他是一名系外行星大氣專家,也是美國宇航局噴氣推進實驗室FINESSE項目組的領軍人物。“這些觀點迥異但或許殊途同歸,”斯溫補充道,“為了證明圍繞在另一顆恒星運轉的類地行星上存在生命,我們必須了解它們大氣工作的原理,這需要把它放在行星大氣層的總體實際中去,所以我們需要大規模的觀測任務來提供這樣的背景信息。”

不管凌日測量空間望遠鏡能否實現對韋伯望遠鏡的補充,美國宇航局的后韋伯望遠鏡項目已經啟動。該機構計劃在韋伯望遠鏡之后的2020年,推出2.4米口徑的大視場紅外巡天望遠鏡(Wide-Field Infrared Survey Telescope,WFIRST)。其目的是研究暗能量、以及對氣態巨行星進行快照。許多系外行星科學家都寄希望于WFIRST或其繼任者來尋找系外地球。也許在本世紀30年代或以后,能有10米或12米的空間望遠鏡,專門用于對大量類日恒星周圍的類地行星進行直接成像。但是優化望遠鏡將是一個艱難的任務,所以可能會犧牲對小一些、暗一些的恒星周圍較有希望的行星進行深入研究的能力。這樣的望遠鏡理論上可以研究數以百計的類地行星,但代價也許是只有探測到最近、最亮的M矮星周圍十幾個有可能宜居的行星。

因此,系外行星領域的下一場爭奪戰,可能就存在與是尋找真正的“另一個地球”,還是用韋伯望遠鏡研究更加陌生的M矮星星系這兩種選擇之間。“我不認為韋伯望遠鏡能取得很大的成功,”來自阿默斯特學院的考恩(Cowan)說道,“它能幫助我們研究M矮星,但不能尋找到類似地球的家園。所有用于追尋類地行星的下一代空間望遠鏡計劃,其目標都是追尋圍繞類日恒星旋轉的類似地球的行星。想象一下如果我們用韋伯望遠鏡獲得了一些關于M矮星行星的重要觀察結果,并且發現它們有大氣層,我們或許又得將這些發現擱置30年,這是一個很大的問題。”(撰文:李•比靈斯(Lee Billings)  翻譯:鄧哲民  審校:丁佳琦)


點擊閱讀原文查看詹姆斯-韋伯太空望遠鏡展開全過程

(來源:環球科學)

2015-08-23 08:45

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