世界最強的韋伯望遠鏡,能很快找到地外生命嗎?科學家充滿信心

科學家們認為,雖然在太陽系內沒有找到地外生命,卻很可能在系外行星(太陽系以外的行星,后同)發現地外生命,他們對韋伯望遠鏡充滿了期待。

美國亞利桑那大學天文學教授克里斯·英佩和行星科學教授丹尼爾·阿佩認為,由于韋伯望遠鏡(后面簡稱「韋伯」)能夠得到系外行星大氣層的光譜資料,從而可以分析出這些大氣的特征,或許能夠很快發現地外生命的跡象。

觀測地外行星大氣層只是韋伯望遠鏡的副業

韋伯望遠鏡研制了25年,花費100億美元,是史上迄今為止最貴最高級的空間望遠鏡,沒有之一。這台望遠鏡的主要任務很高大上,就是希望看到宇宙大爆炸的起點,也就是138億光年的宇宙。

科學觀測和研究已經得到了宇宙大爆炸的最重要證據~宇宙微波背景輻射,被認為是宇宙大爆炸發出的第一縷光留下的余燼,是宇宙大爆炸最初始狀態殘留。韋伯望遠鏡就要將這縷光調查清楚,還原大爆炸的初始狀態。

因此,韋伯望遠鏡配備了高度靈敏的紅外線傳感器、光譜器等。與哈勃望遠鏡最大的不同,就是能夠在比可見光更長波段的紅外線波段觀測,由于紅外線能夠穿透宇宙塵埃,加上主鏡直徑是哈勃望遠鏡(后面簡稱「哈勃」)的2.7倍,采光面積是哈勃的6.5倍,因此韋伯的觀測能力是哈勃的100倍。

這個能力有多厲害呢?有人比喻可以清晰地辨認40公里以外的一枚硬幣。這個比喻當然并不很嚴謹,如果說韋伯比哈勃強100倍的話,那麼難道哈勃就只能看清400米遠的一枚硬幣?

韋伯發射后在太空已經受到6次微隕石撞擊,其中最后一次被認為超出設計忍受的撞擊預期,人們很擔心將會影響觀測和圖像。但北京時間7月12公布出來的圖像依然讓人驚艷,與哈勃極端深空視場,簡稱哈勃極深場圖片對比,差距立現。

據稱,一粒沙粒放在指尖手臂伸直遮擋的這樣一小塊天區,韋伯就拍攝出了上千個星系,最遠的星系距離我們135億光年;而哈勃原先同位置拍攝的天區星系則少了許多,且清晰度完全不是一個量級。(見上圖)

這讓許多天文學家們欣喜若狂,更多的宇宙之謎將要揭開。難怪美國總統都等不及原定發布時間,而提前一天舉行了發布會,正副總統罕見的同時出席。發布的那些比哈勃清晰度高出很多的圖片,讓大家懸著的心放了下來,100多億美元總算沒有白白扔掉。

發布的這些圖片只不過是韋伯小試牛刀,真正聚精會神的觀測還沒有開始。而觀測系外行星則只是搞了點副業,但這一瞥還真驚世駭俗,竟捕捉到了行星大氣,預示著可以通過分析行星大氣,得出那個星球有沒有生命存在!

天文學家們如何尋找系外行星?

自從上世紀開啟了航天新時代,科學家們就一直希望找到地外生命甚至地外文明。在人類還無法看清附近行星的時候,曾經憑著觀測到的一些蛛絲馬跡,產生過許多幻想,如金星人、火星人等。

其實早在遠古時代,人們就幻想過距離我們最近的一個星球~月球上有生命存在,中國古代一直傳說著美女嫦娥就住在月球的廣寒宮里。上世紀對月球的無人探測和載人登月活動,讓流傳幾千年的神話破滅了,月球不但沒有人,連大氣也沒有,一根生命之毛也不存在。

于是人們的目光轉向了距離我們最近的金星和火星,通過望遠鏡,可以依稀看到金星濃密的大氣,火星上有蛛網式的溝壑。于是人們猜測金星上有金星人,火星上有火星人,火星上那些溝壑是火星人建造的人造工程,從規模看,能做出如此巨大的人造工程,那里的文明程度比人類強大多了。

隨著后來一次次行星探測活動,讓這些幻想一個個破滅,不但金星和火星沒有發現生命,就是在整個太陽系大大小小的行星、矮行星、衛星上,也沒有找到任何生命的證據,但科學家們并沒有死心,依然孜孜不倦的在認為可能存在生命的土衛六、木衛二、火星等星球上找著。

但有一點似乎早就成為科學界的共識,就是太陽系不可能存在地外高級生命,即便那幾顆星球真的有生命存在,也是極其低級的菌類生命。于是科學家們早就將目光轉向了太陽系外,開始大范圍搜索地外行星。

經過幾十年的努力,通過開發一系列越來越先進的望遠鏡,現在已經發現了5000多顆系外行星。這些發現證明了一個事實,恒星普遍有行星相伴。但這些行星上有沒有生命或文明呢?到現在還沒有任何有價值的線索。

但迄今為止,所謂的「發現」,并非真實地「看」到或看清了那些行星,說穿了,絕大多數只不過是「感覺」到了那里有行星的存在而已。這是因為人類現在的觀測能力相對廣袤的宇宙,實在還太渺小了,即便最強大的望遠鏡也還無法看清距離我們最近的恒星,只能看到一個亮點,更別說比恒星體積小數萬乃至數十、數百萬倍的行星了。

現在用望遠鏡觀測一顆恒星周圍有沒有系外行星,采用的主要方法叫凌星法,也叫掩星法。就是當一顆行星夾在我們看這顆恒星視線的中間時,這顆恒星就會出現遮光現象,就是光度會發生一點點變化,并且會周期性呈現。

通過這點光變現象,再通過一些其他的輔助方法,科學家們就能夠大致確定這是不是一顆行星,并計算出這顆行星質量有多大,距離恒星有多遠,公轉周期有多長。然后再通過視向速度法、微引力透鏡法等一些其他方法,主要是通過多普勒效應和引力定律,通過行星與恒星之間的運動變化來確定行星的數據,這里就不多作解釋了。

在5000多顆行星中,也有極少數是通過直接成像法觀測到的,但這些所謂「成像」也就是個把像素大小的模糊光點,一般還是通過非可見光如紅外光譜來捕捉獲取。這些被直接觀測到的行星現在已經超過了100顆,都是一些巨大的氣態行星,大部分是比木星質量要大數十倍。

這樣,這些已發現的行星到底是個什麼樣子,上面有沒有生命跡象,就更是靠猜了。

那麼韋伯又是如何來確定系外行星上有沒有生命呢?

韋伯望遠鏡是迄今觀測能力最強的望遠鏡,可以看清楚40公里外的一枚硬幣。但宇宙太浩渺了,即便距離我們最近的恒星,4.3光年距離的比鄰星,如果縮小為硬幣,其距離也遠遠不止40公里,動輒都相當上千公里上萬公里以上的硬幣了。

因此要看清一顆行星依然還只是奢望。不過韋伯有自己的一些本領,剛剛睜開眼睛一瞥,就捕捉到了一顆距離我們1000多光年行星的大氣光譜。其實在此之前,韋伯的老前輩哈勃就已經分析過許多系外行星大氣,并在2013年獲得了一顆行星有水存在的明確信號。

但哈勃觀測到的信號還是很模糊和信息量極少的,韋伯就是在哈勃觀測的基礎上,進一步坐實這些證據。

WASP-96b是距離我們1150光年早已被發現的一顆氣態巨型星,其質量約為木星的一半,直徑比木星還大,為木星的1.2倍,坐落在南天星座的鳳凰座內。這顆行星距離它自己的太陽(恒星)很近,只有約643萬公里,只是水星距離太陽約九分之一,公轉周期只有約3個半地球日。

韋伯對準WASP-96b觀測了6.4個小時,用近紅外呈現無縫隙光譜儀(NRISS)測量了這顆行星0.6~2.8微米波段光線的光度變化和透射光譜,揭示了以前隱藏在大氣層里的某些細節,即顯著的有水特征、霧霾的跡象以及云的證據,這些在以前的觀測中并不肯定甚至認為不存在。

其實,韋伯也并沒有看清那顆星球是什麼樣子,但通過紅外波段觀測,得到了大氣中的光譜數據,研究人員就可以通過分析這些光譜,得知這顆星球的大氣由哪些成分組成,各自的豐度(含量比例)如何。

有生命的星球和沒有生命的星球大氣組分是有不同特征的,某些元素只有生命在新陳代謝時才有可能產生,而這些與生命有關的成分會在大氣中表現出來,這就是被生命改造過的大氣,會呈現出生命的特征,如大氣中的氧氣和甲烷等等。

地球上的植物和藻類,由于光合作用的葉綠素和其他色素會捕捉某種特定波長的光,從而改變大氣的顏色,韋伯通過敏感的紅外相機能夠敏感地捕捉到這些不同顏色的光譜,如果某個星球發現標志著葉綠素存在的光譜,就預示著具有生命存在的典型證據。

當然,像WASP-96b這樣的行星是不太可能存在生命的,韋伯這次只是練練手,給了科學家們一個好兆頭。在現在已經發現的5000多顆系外行星中,更有可能存在生命的類地行星約占4%,也就是有200多顆,其中所謂宜居行星,也就是距離恒星不遠不近有可能存在液態水的行星有數十顆。這些才是韋伯未來觀測的重點。

如距離我們僅有39光年的TRAPPIST-1e,是一顆和地球差不多的行星,在未來的幾個月,韋伯將把鏡頭對準它。TRAPPIST-1是一顆光譜類型為M的紅矮星,其行星系統是一個很有意義的特殊系統,竟然至少有7顆類地行星,其中有3顆在所謂宜居帶!

因此觀測這個行星系統,將很可能發現生命的存在!由此,科學家們充滿了希望。如果真的發現了地外生命,將是人類對宇宙和生命認識的一個巨大的突破,科學研究將進入一個全新的時代,這對于不斷追求新發現的科學家們來說,是一個多麼大的誘惑啊。

所以,韋伯望遠鏡在遙遠的深空睜開眼睛看宇宙,具有劃時代的意義,整個科學界都在關注著它每天的新發現。對此各位怎麼看?歡迎討論,感謝閱讀。


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