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我们的坐标,已经被2000多颗星星熟知

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发表于 2021-7-5 12:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
我们的坐标,已经被2000多颗星星熟知

中科院物理所 Today

The following article is from 环球科学 Author 环球科学



                               
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图片来源:OpenSpace/American Museum of Natural History

无论是为了寻找外星文明,还是搜索可能的星际殖民地,我们一直都在探测系外行星。但如果将视角倒转过来,茫茫宇宙中,又有哪些地方能发现我们小小地球上的人类文明呢?

撰文|王昱
审校|吴非

根据太阳系外行星百科全书(The Extrasolar Planets Encyclopaedia)的统计,截至今天,人类已经发现了4776颗系外行星。在未来,人类还将发现更多系外行星。不过却很少有人估计,无垠宇宙中,在哪些地方可以看到我们的小小地球,发现萌芽中的人类文明。

上周,丽莎·卡尔特内格(Lisa Kaltenegger)和杰奎琳·法赫蒂(‪Jacqueline K Faherty)在《自然》杂志上发表论文,她们利用盖亚天文卫星(Gaia Astrometry Satellite)的数据,发现从5000年前到5000年后,在326光年(相当于100秒差距)的范围内,有2034枚天体所在的位置能通过凌星法发现地球


凌星法

如果存在地外文明,我们通常估计他们的技术水平至少和我们平齐。那么,他们用凌星法来寻找地球也是预料之内的事。

                               
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上世纪90年代至今发现的系外行星数量统计(数据来源:The Extrasolar Planets Encyclopaedia)


如果系外行星绕转恒星的平面侧对我们,那么当系外行星转到恒星面前时,就会挡住一部分星光,造成亮度下降,从而我们就能发现那颗系外行星。1999年,天文学家杰弗里·马西(Geoffrey Marcy)首次用这种方法发现了系外行星HD 209458 b。随后的20多年中,凌星法成为了人类寻找系外行星的主要手段,人类目前确认的4776颗系外行星中,有3426颗是通过凌星法发现的。

                               
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凌星法示意图。在行星转到恒星前时,会挡住星光,使我们监测到的亮度变暗。(图片来源:Wikipedia)

用凌星法寻找系外行星存在一个显著的优势:当行星遮挡恒星时,恒星发出的光会穿透行星大气层,从而对恒星光谱产生一定改变,我们由此能分析行星大气所含的元素种类。如果考虑到这一点,其他文明可能在超过20亿年前的“大氧化事件”发生时,就能发现地球大气中突然出现了大量不稳定的氧气,从而推断出地球上有生命在进行光合作用。当然,这仅仅是能确定
地球上存在生命而已。如果想发现地球上的人类文明,还是要在最近的1万年间观测到地球。

这种方法也存在一个巨大的限制,它要求系外行星的公转平面侧对我们,否则系外行星就不会遮挡它的宿主恒星。反过来,如果想让其他星能看到地球,那么这些星就必须处在黄道平面(地球绕太阳公转的平面)附近。而这个区域在星空中的投影,就被称为地球凌日区(Earth transit zone,ETZ),大约只有0.5°宽。只有在地球凌日区内,才有机会能用凌星法发现地球。
WeChat Image_20210704214009.png

在哪里能看到地球?

虽然在人一生的时间尺度内,星空似乎都是一成不变的,但如果将时间拉长,夜空中的天体都是在不断运动的。论文公布的2034枚天体中,有1402枚正处在地球凌日区内,有313枚天体已经离开了地球凌日区,而剩余的319枚将会在未来5000年内进入地球凌日区。

白色区域为地球凌日区在星空中的范围,右图为左图框的局部放大(图片来源:Astrobiology 2016 16:4, 259-270)
这些天体的种类非常丰富,其中有109颗白矮星、8颗褐矮星和有1917颗恒星,其中有194颗是类似于太阳的G型恒星。现在处在地球凌日区的1402枚天体中,有128颗G型恒星。现在,科学家已经开始对这1402枚天体附近可能存在的地外文明展开针对性搜索。

在这些天体中,有17颗已经被探明的系外行星分布在7颗恒星周围。其中最引人注目的是Trappist-1,它距离地球40.66光年,拥有7颗地球大小的行星,其中四颗都处在宜居带中。1642年后,Trappist-1系统将进入地球凌日区,如果那里存在文明,那时他们就能用凌日法发现地球。

不过,如果考虑到人类在100年前就开始向宇宙中发射电磁波,那么Trappist-1所处的位置早已被人类发射的电磁波淹没了。人类向宇宙中发射的电磁波在宇宙中形成了一个半径100光年的球面,在其中有75颗恒星能用凌星法发现地球。


外星人发现我们了吗?

论文使用的是盖亚天文卫星的数据。它是欧洲航天局于2013发射的空间望远镜,在拉格朗日L2点不断观测星空。在这里望远镜能尽可能避免地球的影响,不断检测星空中的任意天体。仅仅是盖亚天文卫星最近一次释放的数据,就包含了1 811 709 771个目标,每一个都可能是一个或多个天体。而在326光年的较近范围内,就有331 312枚天体,其中92%是恒星。

                               
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盖亚天文卫星(图片来源:Wikipedia)

相较而言,2034并不是一个很大的数字。毕竟地球凌日区在天空中的投影只不过窄窄的一圈。对于那些处在地球凌日区内,又处在100光年之内能收到人类电磁波的恒星系,论文作者根据统计经验估计,那里大约分布着29个宜居岩质行星

不过,天文学家口中的“宜居”并不一定真的适合人类生存。目前,天文学家们还没有就宜居带达成共识,按照有些宜居带的计算方法,炽热如金星、荒凉如火星,都可能被算作宜居行星。更何况,就算行星的温度真的宜居,行星上是否含有水也是未知数,出现生命、产生文明的概率就更低了。所以,这29颗行星上没有文明发现我们也是情理之中的事。作者也在论文最后写道:“对于和地球文明技术水平相近的文明而言,地球还需要相当长的时间才能引起他们的兴趣。

不过,如果不将这些行星看作寻找外星人的去处,而是看作未来的星际殖民地,这些行星则是极佳的去处。它们处在黄道平面附近,这意味着人类可以利用地球公转和太阳系内的引力弹弓效应抵达那里,大幅度减少对燃料的需求。更何况,在现有物理水平限制下,人类在开启向星辰大海的征途后,往往需要几代人才能到达这些殖民地。如果以这些星球为落脚点,则那些星际拓荒者的后代们,就能在无尽的茫茫星海中,再瞥一眼这个孕育了他们祖先的星球。


主要参考论文:
http://www.nature.com/articles/s41586-021-03596-y
参考链接:
https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2015.1358
http://exoplanet.eu/catalog/
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2021/05/aa39657-20/aa39657-20.html
https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2021/05/aa39498-20/aa39498-20.html

来源:环球科学
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