系外行星尤其是宜居行星的搜寻与刻画,是天文学研究的热点前沿问题。寻找另一个地球,是回答“生命如何起源?”,“人类是否孤独?”等重大科学问题的关键。文章结合理论和观测,对现有的行星形成演化理论和系外行星探测方法做了简要介绍,并说明现有的探测技术很难探测到“另一个地球”。此外,主流的探测方法,如视向速度法、凌星法,都是通过恒星变化探测行星,属于间接探测。
未来的系外行星刻画需要直接获取来自行星的光子,因此直接成像是未来系外行星探测的趋势。合成孔径光干涉成像法可以同时实现高对比度和高空间分辨率,未来可用于对“另一个地球”的直接成像。中国提出的“觅音”计划,有望首次实现系外行星的光干涉成像,在寻找“另一个地球”上取得重大突破。
系外行星的发现,使人类向认识自身起源及在宇宙中的地位迈出了重要的一步。
在地球近46亿年的演化历史中,最早的地球生命证据是大约35亿年前的微生物。“地球上的生命是如何产生的?”,“宇宙中是否还存在其他有生命的星球?”等问题一直是科学家们的重大关切。美国《科学》杂志在建刊125周年时提出了125个最具挑战性的科学问题,其中第11个问题是“地球生命在宇宙中是否独一无二?”该问题也是美国航空航天局在2013年制定的未来30年天体物理路线图致力解决的第一大问题。
要回答地球上的生命在宇宙中是否唯一,首先要了解像地球这样适宜生命生存的类地行星在宇宙中是否还存在。从20世纪末开始,天文学家开始了系外行星探索之旅。经过四分之一世纪的努力,人类对系外行星的认识有了飞跃。
行星是普遍存在的。根据现代行星形成理论,行星孕育在恒星早期分子云坍缩形成的原行星盘。由于角动量守恒,坍缩中的原恒星将不可避免地在其赤道附近形成原行星盘。
行星形成主要经历四个过程:重元素尘埃物质通过分子间作用力和引力不稳定性吸附生长到厘米级颗粒,经过冲流不稳定性、涡旋、雪球生长等机制跨过米级障碍,在原行星盘中间层形成千米级别的星子;星子相互碰撞,通过雪崩和寡头生长等过程,在1—10万年之间成长到水星到火星量级的行星胚胎;当胚胎质量大于某一临界质量,在引力作用下经过数百万年时间的准静态气体吸积后,气体快速雪崩吸积,形成数百地球质量大小的气态巨行星;在主星的光致蒸发、星风等过程的作用下,原行星盘在约300万—1000万年内消失,残余的行星胚胎经过相互之间的巨型碰撞并合,在1千万—1亿年间形成类地行星。
探测系外行星之困难与历程。从上述行星形成理论看,伴随着每个中小质量恒星的形成,行星的形成是普遍的,并且在相当长的恒星寿命中,行星系统是相对稳定的。那么,为什么直到20世纪末,人类观测到的行星仅仅局限在太阳系呢?原因主要有两点:一是相比恒星,行星的温度要低得多,自身热辐射非常小;二是行星不仅暗,从远处看它们与宿主恒星的张角太小。
鉴于直接探测的困难,科学家试图从系外行星对主星的影响上来推断系外行星的存在,也即间接探测。
探测系外行星的间接方法还有凌星法、微引力透镜法、脉冲星计时法等,其中效率最高、目前取得成果最多的是凌星法。我国的系外行星研究虽然起步晚,但是近些年发展迅速,研究队伍也不断壮大,国内很多高校和天文机构都开始涉足系外行星的研究。
随着系外行星的不断发现,是否存在另外一个地球——“宜居行星”是近年系外行星科学家最感兴趣的课题之一。适宜人类生存的行星需要有陆地和液态水,这要求行星表面处于合适的温度。行星的宜居性还有其他必要条件,例如:行星磁场保护行星上的生命免遭高能粒子的辐射,合适的行星大气促进行星物质、能量循环等。
探测太阳系附近的宜居行星对研究生命起源等有重要意义,已经成为系外行星探测的主旋律,目前已经探测到十余颗位于宜居带内的类地行星。
未来的征程,系外行星是天文学研究的热点,“另一个地球”的搜寻则如同皇冠上的明珠。觅音计划的实施结合“人类在宇宙中是否孤独?”,“生命如何产生?
”等重大科学关切,以搜寻“另一个地球”为目标,通过空间合成孔径望远镜阵列干涉成像等新手段,获得超越传统望远镜的观测能力,可能获得人类首张宜居带行星的照片,真正看到“另一个地球”,有望在天文领域获得重大科学突破,取得广泛的国际影响,彰显我国空间科学强国的科研实力。