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外星文明若觀測到地球 他們會想什么呢?

2019-10-23 10:34:50  來源:新浪科技

理想中的“地球2號”應當與地球大小相似、質量相似、到恒星的距離也相似。目前我們尚未找到這樣的行星,但科學家正在努力估算宇宙中可能有多少類地行星。令人費解的是,如今可用的數據很多,得出的結論卻五花八門。

理想中的“地球2號”應當與地球大小相似、質量相似、到恒星的距離也相似。目前我們尚未找到這樣的行星,但科學家正在努力估算宇宙中可能有多少類地行星。令人費解的是,如今可用的數據很多,得出的結論卻五花八門。

太陽系八大行星的偏心率、以及近日點和遠日點之間的差距均有所不同。出現這種結果并沒有什么特殊原因,只是由太陽系形成時的初始條件導致的。然而,水星等內側行星的凌日概率遠高于外側行星。水星每年會發生4次凌日,且出現“三星一線”的概率將近2%;相比之下,外側行星每次凌日的間隔時間更長,與地球和太陽剛好連成一條直線的概率也更低。

太陽系八大行星的偏心率、以及近日點和遠日點之間的差距均有所不同。出現這種結果并沒有什么特殊原因,只是由太陽系形成時的初始條件導致的。然而,水星等內側行星的凌日概率遠高于外側行星。水星每年會發生4次凌日,且出現“三星一線”的概率將近2%;相比之下,外側行星每次凌日的間隔時間更長,與地球和太陽剛好連成一條直線的概率也更低。

新浪科技訊 北京時間10月23日消息,據國外媒體報道,縱觀宇宙,我們可以看到數萬億個星系,每個星系中都有無數顆恒星。地球上的生命不僅繁衍昌盛、復雜多樣,還發展出了智慧生命、發明了先進的科技,甚至具備了一定的太空飛行能力。但這些技術都是在近幾十年內剛剛出現的,而太空又是如此廣袤無垠。假如有某個外星文明發現了地球,它們會認為地球文明有趣嗎?

地球位于太陽系的所謂宜居帶中,擁有一層薄薄的大氣,因此表面可以維持液態水的存在。火星和金星可能一度也位于宜居帶中,但如今金星太熱、火星又太冷,均無法讓地球生命繁衍生息。

目前,我們尋找系外星系的方法主要有兩種:

一是“恒星擺動”探測法:圍繞恒星轉動的行星會對恒星造成拖曳,因此從觀察者的角度來看,恒星會不斷振動,幫助科學家確定行星的公轉周期和質量(取決于行星軌道朝向的不確定性)。

二是“凌日法”:當行星從恒星前方穿過時,會阻擋恒星發出的一部分光線,因此從觀察者的角度來看,恒星的亮度會周期性變暗。

假如有一個足夠先進的外星文明從極遠處觀察地球,并且從它們的方向看來、地球正在從太陽前方穿過,它們就很可能發現地球上存在生命。

圖為開普勒行星KOI-64的主要凌日曲線(左)和幫助科學家發現這顆位于宿主恒星后方的系外行星的曲線(右)。光通量的減少使天文學家得以發現行星凌日現象,其它信息則能幫助科學家了解除了行星半徑和軌道周期之外的其它信息。

圖為開普勒行星KOI-64的主要凌日曲線(左)和幫助科學家發現這顆位于宿主恒星后方的系外行星的曲線(右)。光通量的減少使天文學家得以發現行星凌日現象,其它信息則能幫助科學家了解除了行星半徑和軌道周期之外的其它信息。

由于光速有限,即使是離我們最近的恒星,收到的地球信號也必定來自于幾年前、甚至幾十年前。銀河系中離地球較遠的恒星只能觀測到地球幾百年前、甚至幾千年前的形貌。而如果觀察者位于某個遙遠的星系,它們見到的地球更是要追溯到幾百萬年、甚至數十億年前。然而,外星人可以分析地球凌日時大氣層的譜線,因此即使相隔數十億光年,也能從中找到地球存在生命的痕跡。

當地球(或任何行星)從太陽前方穿過時,照射到地球表面的陽光便會被擋住,導致太陽的光通量下降;沒有照射到地球的光線則會繼續前進,從恒星傳遞到觀察者眼中,成為背景光;至于那些只接觸到了地球大氣、并未接觸地表的陽光,它們大部分會徑直穿過,但還有一部分會被大氣中的原子與分子吸收。這些原子和分子會被吸收的光線激發,在大氣光譜中形成吸收譜線或發射譜線。科學家在系外行星大氣層中尋找氫原子、氦原子、甚至水分子時,已經運用了這種技術。

一顆行星從恒星前方穿過時,部分光線并不會被行星阻擋,反而會從大氣層中透過,形成可以被精密天文臺探測到的吸收譜線或發射譜線。若大氣中存在有機分子或大量氧分子,未來也許就能被我們探測到。重要的是,我們不僅要考慮已知的生命痕跡,還要設想外星生命可能是什么模樣。

一顆行星從恒星前方穿過時,部分光線并不會被行星阻擋,反而會從大氣層中透過,形成可以被精密天文臺探測到的吸收譜線或發射譜線。若大氣中存在有機分子或大量氧分子,未來也許就能被我們探測到。重要的是,我們不僅要考慮已知的生命痕跡,還要設想外星生命可能是什么模樣。

假如某個外星文明在過去20億至25億年間曾觀察過地球,就會發現地球大氣主要由氮氣構成,但也包含大量氧分子。水蒸氣和氬氣在大氣中各占1%,此外還有少量二氧化碳、甲烷、臭氧及其它化合物。

在我們尋找系外行星的過程中,這樣的氣體組成被視為該星球存在生命的重要標志。我們知道有幾種無機途徑可以在行星上產生大量氧氣,但要達到5%以上的比例,在沒有生命的情況下很難實現。因此,假如有某個外星文明觀測到了地球的凌日過程,哪怕是在恐龍時代,地球在它們眼中也會顯得極其有趣。

雖然我們并不清楚地球歷史上各個年代的確切大氣組成,但在25億年前,大氣中含有大量甲烷,幾乎沒有氧氣。氧氣出現后,甲烷隨之消失,地球也進入了冰河時代。但這些大氣變化是由生物過程推動的。假如能探測到某顆星球的大氣存在被生物改動過的痕跡,就說明該星球上或許存在外星生命。

雖然我們并不清楚地球歷史上各個年代的確切大氣組成,但在25億年前,大氣中含有大量甲烷,幾乎沒有氧氣。氧氣出現后,甲烷隨之消失,地球也進入了冰河時代。但這些大氣變化是由生物過程推動的。假如能探測到某顆星球的大氣存在被生物改動過的痕跡,就說明該星球上或許存在外星生命。

這是一種搜尋潛在宜居星球的好方法,但只有當被觀測行星、該行星圍繞的恒星、以及觀察者所在行星剛好排成一條直線時,該方法才能發揮作用。正在修建的詹姆斯·韋伯望遠鏡便計劃利用這種方法、在地球附近的凌日行星上尋找生命存在的跡象。

然而,如果僅依靠凌日法,我們注定會錯過發現大多數宜居星球的機會。哪怕地球離系外行星與系外恒星的連線只偏了一丁點兒,也無法觀察到凌日現象,我們也就無從探測該行星的大氣組成。但也不必為此絕望,因為我們還有另一種不需要依賴行星凌日的技術,名叫直接成像法。

這張哈勃望遠鏡拍攝的可見光照片展現了最近發現的行星Fomalhaut b圍繞其中央恒星轉動的過程。這是我們首次在可見光下觀察到一顆系外行星。但要想發現系外衛星、或智慧外星生命存在的跡象,還需要更先進的直接成像技術。

這張哈勃望遠鏡拍攝的可見光照片展現了最近發現的行星Fomalhaut b圍繞其中央恒星轉動的過程。這是我們首次在可見光下觀察到一顆系外行星。但要想發現系外衛星、或智慧外星生命存在的跡象,還需要更先進的直接成像技術。

利用強大的哈勃望遠鏡(以及后續發明的地面自適應光學技術),我們首次得以直接拍攝系外行星的圖像,并借此觀察到這些行星圍繞恒星旋轉的過程。利用日冕儀或遮星儀等儀器,我們可以擋住恒星發出的光線,僅拍攝我們感興趣的行星的照片。

只要我們愿意等上足夠久,便可以從區區一個像素中判斷出某顆星球是否宜居,還能尋找該星球上是否有地球的一些典型特征。通過直接拍攝某顆行星的照片、并記錄不同時刻抵達的光線波長,我們可以了解到該星球的諸多特性。例如,通過行星的短周期變化和反復出現的光譜特征,我們可以計算出該行星的軌道周期;從行星的顏色中,我們可以判斷這顆行星表面水、陸地與冰的面積占比,并判斷行星上空是否存在云層。而如果觀測時間超過一年,我們還可以進一步了解該行星的軌道性質、判斷該行星地表植被是否存在季節性變化、甚至判斷該行星在夜晚是否會出現人造光源。

“遮星”技術概念讓我們在下一個10年中便可實現系外行星的直接成像。這張概念圖描繪了一臺運用該技術的望遠鏡。擋住恒星的光線后,我們便可更好地拍攝圍繞該恒星轉動的行星。

“遮星”技術概念讓我們在下一個10年中便可實現系外行星的直接成像。這張概念圖描繪了一臺運用該技術的望遠鏡。擋住恒星的光線后,我們便可更好地拍攝圍繞該恒星轉動的行星。

對于100光年以內的觀察者而言,只要運用足夠大、性能足夠優良的望遠鏡,便可觀測到微弱的人造光。通過發明人造光源,人類成功擊潰了黑暗,堪稱一項偉大的技術成就。但與此同時,動植物及其它生物數十億年來適應的天然黑暗環境正在逐漸流失,算是我們取得這一成就所付出的代價。

然而,我們通常不會考慮到這些人造光源帶來的另一種好處:人類使地球的天然外觀發生了改變,因此只要有某個智慧程度足夠高的外星物種觀察到地球,便可推斷出地球上存在一種有能力改變星球的物種。當然,這并不算板上釘釘的證據,但這種跡象是一種強烈的暗示,說明該行星不僅宜居、而且已經出現了一種掌握先進技術的智慧生命。

這張合成圖顯示了地球各地區夜間的人造光照明效果。該圖在1994至1995年間收集的數據基礎上制作而成,在此之后的25年間,人類夜間在地球上點亮的光源增加了將近兩倍。我們已經征服了黑夜,但也付出了巨大的環境代價。利用足夠先進的望遠鏡,外星文明便可探測到這些人造光,并據此推測出地球上存在智慧生命。

這張合成圖顯示了地球各地區夜間的人造光照明效果。該圖在1994至1995年間收集的數據基礎上制作而成,在此之后的25年間,人類夜間在地球上點亮的光源增加了將近兩倍。我們已經征服了黑夜,但也付出了巨大的環境代價。利用足夠先進的望遠鏡,外星文明便可探測到這些人造光,并據此推測出地球上存在智慧生命。

由于我們從未在宇宙中找到過其它生命,我們只能推測某顆宜居行星上出現生命的概率有多大。銀河系中也許有數十億顆擁有生命的行星,也可能只有地球一個;也許很多行星上都有延續了數百萬年、甚至數十億年的生命,也可能地球便是生命的唯一歸宿;銀河系中也許有成千上萬具備太空飛行能力的外星物種,也可能人類便是整個可見宇宙中最先進的生物。在真正發現外星生物之前,我們只能不斷猜測、不斷添加限制條件。

我們在搜尋外星文明時,主要是尋找一些特定信號,如大氣組成、地表特征、衛星和飛船、甚至是特意發出的FM射電波等等。而地球發出的這些信號也可能使我們被先進的地外文明探測到。哪怕相距極遠,外星生命也能判斷出地球是一顆宜居星球。但必須離得足夠近、能夠觀察到地球相對較新的狀態,外星生命才能發現地球上生活著一類掌握了先進科技的物種。

左側為DSCOVR-EPIC照相機拍攝的地球照片。右側為同一張照片像素降低到3×3的效果,類似于研究人員在未來觀察系外行星時見到的情況。

左側為DSCOVR-EPIC照相機拍攝的地球照片。右側為同一張照片像素降低到3×3的效果,類似于研究人員在未來觀察系外行星時見到的情況。

圍繞恒星HR 8799旋轉的已知有四顆行星,每顆質量都勝過木星。這些行星都是在七年間利用直接成像技術發現的,其公轉周期從數十年到數百年不等。就像太陽系一樣,內側行星的公轉速度更快,外側行星則更慢,這也符合引力規律。借助WST、GMT和ELT等下一代望遠鏡,我們或許能對附近的類地行星或超級類地行星開展進一步偵測。

圍繞恒星HR 8799旋轉的已知有四顆行星,每顆質量都勝過木星。這些行星都是在七年間利用直接成像技術發現的,其公轉周期從數十年到數百年不等。就像太陽系一樣,內側行星的公轉速度更快,外側行星則更慢,這也符合引力規律。借助WST、GMT和ELT等下一代望遠鏡,我們或許能對附近的類地行星或超級類地行星開展進一步偵測。

盡管宇宙中的大部分星系都位于數十億光年之外,但就在地球方圓幾百光年之內,也分布著無數顆恒星。這就意味著成百上千萬顆行星、成百上千萬存在生命的可能性、甚至成百上千萬發現智慧外星生命的可能性。哪怕其中有一顆星球上存在生命,遙遠的空間距離也無法阻止我們對其展開研究,就像它們也會對我們展開研究一樣。

光速或許是一大限制因素,但假以時日,人類對地球的影響遲早會被某個星系中的某個外星物種注意到。雙方也許無法很快進行交流,但哪怕只發現一種外星生命,都會徹底改變我們對“存在”的理解。真希望那一天趕緊到來!(葉子)

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