尋找地外生命

尋找地外生命第一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

銀河系直徑大約10萬光年，其中分布著大約2000億顆恒星。物理學(xué)定律：宇宙各處均相同。引力、電場(chǎng)和磁場(chǎng)、量子理論等物理規(guī)律是普適的；原子和分子的物理結(jié)構(gòu)是一樣的；宇宙中各處的二氧化碳分子也都是相同的。那么，我們的地球在宇宙中應(yīng)該也不是唯一的！第二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二生物學(xué)定律：是否也是放之宇宙而皆準(zhǔn)？

水是地球生命所必須的，宇宙中的所有生命形式都需要水嗎？DNA分子是生命的唯一解碼嗎？生命演化一定要往高智慧的方向發(fā)展嗎？或許智慧只是龐大的生命系統(tǒng)中某一個(gè)細(xì)小分支而已，還存在著數(shù)以百萬的其他生命形式。第三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

目前在整個(gè)宇宙中，我們只了解地球上的生物學(xué)。我們還需要找到更多的樣本—或在太陽系中，或在更遠(yuǎn)的宇宙深處……

第四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

在太陽系內(nèi)搜尋（包括火星、木星及其衛(wèi)星等），還沒有找到生命存在的跡象。第五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

現(xiàn)在我們將視野從太陽系轉(zhuǎn)向銀河系……第六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

尋找太陽系外的行星：探測(cè)恒星擺動(dòng)是搜索系外行星的方法之一，恒星的擺動(dòng)來自于行星的引力作用。

第七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

還有一種方法是通過恒星光譜的多普勒效應(yīng)搜索系外行星。第八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

尋找系外行星的世界上最大望遠(yuǎn)鏡：利克天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡、凱克望遠(yuǎn)鏡、英澳望遠(yuǎn)鏡。第九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二這是一張高分辨率階梯光柵頻譜儀的光路圖。

望遠(yuǎn)鏡接收的星光（白色線條）通過準(zhǔn)直鏡（Collimator）后，照射到階梯光柵（EchelleGrating）上，經(jīng)分解（紅色、藍(lán)色線條）后再投射到CCD探測(cè)器上。第十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

對(duì)一個(gè)具有24兆像素的CCD來說，由一個(gè)土星大小的行星造成的恒星光譜的多普勒位移只有千分之一像素大小。

第十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二我們需要探測(cè)極其微小的多普勒頻移。要達(dá)到的精度：±1米/秒第十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

質(zhì)量越小的行星越難被探測(cè)到。目前通過多普勒效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的最小質(zhì)量行星其質(zhì)量是地球的7.5倍，公轉(zhuǎn)周期為1.94天。第十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二恒星HD12661具有2顆類木行星：質(zhì)量分別是木星質(zhì)量的2.5倍和1.9倍；

公轉(zhuǎn)周期分別是262.4天和1635.7天；

兩顆行星有微弱的相互作用。第十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二利克和凱克望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的恒星55Cancri的視向速度變化情況。橫軸：時(shí)間（Time，以年為單位），縱軸：視向速度（Velocity，米/秒）；摘自Fischer等人2007年發(fā)表的論文。第十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二利用傅立葉變換（FourierTransform）研究行星的公轉(zhuǎn)周期。這是恒星55Cancri的視向速度的傅立葉頻譜（FourierPower）。橫軸：軌道周期（OrbitPeriod，以天為單位）；縱軸：功率（Power）；進(jìn)行傅立葉分析后，能看到兩個(gè)明顯的周期，分別為14.6天、14年。第十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

恒星55Cancri的視向速度的傅立葉頻譜（FourierPower）（續(xù)1），據(jù)此發(fā)現(xiàn)了第三顆行星，其公轉(zhuǎn)周期為44.29天。第十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

恒星55Cancri的視向速度的傅立葉頻譜（FourierPower）（續(xù)2），據(jù)此發(fā)現(xiàn)了第四顆行星，其公轉(zhuǎn)周期為2.795天。第十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

恒星55Cancri的視向速度的傅立葉頻譜（FourierPower）（續(xù)3），據(jù)此發(fā)現(xiàn)了第五顆行星，其公轉(zhuǎn)周期為260.1天。第十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

我們將55Cancri系統(tǒng)與太陽系進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)行星系統(tǒng)很相似，均有多顆行星及一個(gè)較寬的間隙（譯注：在太陽系內(nèi)，這里是小行星帶）。第二十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

擁有5顆行星的55Cancri系統(tǒng)示意圖。

第二十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

目前已知的多行星系統(tǒng)有27個(gè)，多行星系統(tǒng)看來是普遍存在的。第二十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二已發(fā)現(xiàn)的215顆系外行星的軌道偏心率統(tǒng)計(jì)圖。橫軸：軌道半長(zhǎng)經(jīng)（SemimajorAxis），以天文單位（AU，即日地的平均距離）為單位，縱軸：軌道偏心率（OrbitalEccentricity）。圓軌道的偏心率為0，右下角的藍(lán)十字表示地球?？梢娺@些行星中，非圓軌道比圓軌道更普遍，它們的平均偏心率為0.25。導(dǎo)致非圓軌道的原因在于行星之間的相互引力作用。在距離主恒星2.5天文單位（即日地平均距離）以外，行星的軌道偏心率仍然偏高?？梢?，具有圓形軌道的行星只占很少數(shù)。第二十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

這幅圖展示了應(yīng)用多普勒效應(yīng)方法探測(cè)到的215顆具有較詳細(xì)觀測(cè)資料的系外行星（exoplanet）的質(zhì)量分布。橫坐標(biāo)：行星的質(zhì)量，以木星質(zhì)量（Jupiter-Mass）為單位；縱坐標(biāo)：數(shù)目。

我們可以看出，圖的左端行星數(shù)目較少，原因是質(zhì)量越小的恒星越難被探測(cè)到。第二十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二美國(guó)宇航局的三大行星探索計(jì)劃目標(biāo)是：尋找像地球這樣的外星世界。

開普勒計(jì)劃（Kepler）：將首次系統(tǒng)地搜尋類地行星?？臻g干涉測(cè)量項(xiàng)目（SpaceInterferometryMission，SIM)：將尋找近距類地行星，并測(cè)量它們的質(zhì)量和軌道。類地行星搜索者（TerrestrialPlanetFinder，TPF）：探測(cè)近距類地行星，分析其化學(xué)組成以尋找生命跡象。此外還有詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JamesWebbSpaceTelescope，JWST）：探索行星形成之謎。

第二十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二開普勒計(jì)劃當(dāng)行星公轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)周期性地遮擋在恒星之前，使恒星的亮度變暗。開普勒項(xiàng)目將根據(jù)這一原理來搜索類地行星。開普勒預(yù)期將發(fā)現(xiàn)首個(gè)類地行星，并研究大約有多少比例的恒星擁有類地行星。開普勒空間衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2009年4月發(fā)射。第二十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

開普勒空間衛(wèi)星將尋找?guī)r態(tài)行星，將對(duì)10萬顆恒星進(jìn)行巡天觀測(cè)。發(fā)射日期：2009年第二十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

開普勒探測(cè)器的搜尋天區(qū)：天鵝座（Cygnus）和天琴座（Lyra）附近天區(qū)。第二十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

尋找近距離類地行星的空間干涉測(cè)量計(jì)劃（SpaceInterferometryMission，SIM），將對(duì)近距（50光年以內(nèi)）恒星進(jìn)行觀測(cè)，探測(cè)它們是否擁有與地球大小相當(dāng)?shù)男行?。精度（Precision）：百萬分之一角秒。探測(cè)方法：測(cè)量由（類地）行星的引力作用所引起的主恒星擺動(dòng)?？臻g干涉測(cè)量望遠(yuǎn)鏡對(duì)銀河系內(nèi)天體質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)將達(dá)到前所未有的精度。第二十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二SIM（空間干涉測(cè)量計(jì)劃）探測(cè)方法：測(cè)量由行星的引力作用所引起的主恒星擺動(dòng)。目標(biāo)：發(fā)現(xiàn)首個(gè)類地行星，并確定其質(zhì)量和軌道。第三十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

SIM（空間干涉測(cè)量計(jì)劃）目標(biāo)是拍攝圍繞其它恒星公轉(zhuǎn)的類地行星照片；分析其物理性質(zhì)和可居住性；它的溫度，化學(xué)組成，是否具有液態(tài)水和陸地？第三十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二類地行星搜索者（TPF）圖中的白色亮斑是一顆高倍放大后的恒星照片（StaratHighMagnification），類地行星（Earth-likePlanet）被淹沒在星光之中，只有把恒星的光芒遮蔽之后，它才會(huì)顯露出來。有3種設(shè)計(jì)方案正在研究中。第三十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

類地行星搜索者（TPF）與達(dá)爾文計(jì)劃(Darwin)均是拍攝太陽系以外的“地球”。威力強(qiáng)大的“太空巨眼”能屏蔽恒星的強(qiáng)光，捕捉到黯淡的地球尺度大小的行星。特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)：能使星光減弱到十億分之一。光譜研究將揭示行星大氣中諸如二氧化碳、水蒸氣、臭氧和甲烷等氣體的相對(duì)含量，由此來衡量行星的可居住性。

第三十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

我們的銀河系（MilkyWayGalaxy）銀河系中約有2000億顆恒星，其中有行星環(huán)繞的超過15％，則銀河系中大約有300億個(gè)行星系統(tǒng)。迄今為止已探測(cè)到質(zhì)量與木星、土星和海王星相當(dāng)?shù)男行?。接下來我們?huì)找到地球質(zhì)量大小的行星嗎？第三十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二我們要找的是宜居（habitable）的世界對(duì)宜居的星球而言，液態(tài)水或許是一個(gè)要素。距離恒星太近的行星溫度會(huì)過高，太遠(yuǎn)溫度則又太低，距離適中，液態(tài)水才能長(zhǎng)期保存。許多新發(fā)現(xiàn)的行星不是太熱就是太冷，不適合生命生存。一個(gè)宜居的行星應(yīng)該位于距離其主恒星合適的位置處，稱為“宜居帶”（HabitableZone），在此區(qū)域內(nèi)生命有機(jī)體不會(huì)被損壞。在我們的太陽系內(nèi)，水星白天的溫度太高而夜晚的溫度又很低，冥王星則晝夜處于冰凍狀態(tài)。同時(shí)，行星的軌道要比較接近圓形，否則它與恒星間的距離將不是太近就是太遠(yuǎn)。第三十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二這是一幅藝術(shù)家筆下的太陽系外行星圖像。地球尺度大小的行星可能是相當(dāng)普遍的，但是適宜居住的行星占多少呢？生命存在又需要哪些必須條件呢？第三十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

地球上最“惡劣”的地方之一—美國(guó)黃石國(guó)家公園，是否適合生命生存？這里有：沸騰的噴泉（BoilingGeysers）酷寒的冬季（Freezingwinter）硫酸（Sulfuricacid）第三十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

黃石國(guó)家公園的噴泉圖片：酷似一口沸騰的大鍋，溫度達(dá)到了沸點(diǎn)（BoilingTemp）。第三十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

黃石國(guó)家公園的沸泉，溫度達(dá)到了沸點(diǎn),ph值為2。細(xì)菌和藻類卻在那里繁衍不息。

第三十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

生命可以在0～75攝氏度、酸度很寬的環(huán)境下繁衍。一種嗜酸的淡水單細(xì)胞紅藻（CyanidiumCalderium）在攝氏65度以上、pH值小于5的自然環(huán)境中也能存活。還有一種叫Zygogonium的綠色絲狀藻類也喜歡酸性環(huán)境。第四十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二微生物的生命要素：行星（Planets）、有機(jī)分子（OrganicMolecules）、液態(tài)水（Water）、能量（Energy）（恒星、潮汐力和地?zé)岬饶茉础?。分子生物學(xué)家認(rèn)為：“單細(xì)胞生物在宇宙中是普遍存在的?！钡谒氖豁?，共五十一頁，編輯于2023年，星期二我們的銀行系中會(huì)有很多智慧生命嗎？在我們的銀河系中有300億顆恒星有自己的行星系統(tǒng)，其中有一半比地球老。存在智慧生命的行星比例為多少？悲觀者認(rèn)為：百萬分之一。那么在銀河系中應(yīng)該會(huì)有數(shù)千個(gè)擁有高級(jí)文明的行星系統(tǒng)。第四十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二科幻電影《星球迷航》劇照。第四十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二在銀河系中還沒有發(fā)現(xiàn)地球之外的智慧生命月球：沒有發(fā)現(xiàn)外星飛船、墜毀的殘骸、用作紀(jì)念用的碑或地標(biāo)；火星：沒有訪客或部落聚居的痕跡；地球：是一個(gè)顆年齡為40億歲的可愛行星……，不過也沒有外星人來此定居。100多架望遠(yuǎn)鏡：沒有觀測(cè)到外星飛船；夜空：沒有發(fā)現(xiàn)外來飛船造成的伽馬射線，也沒有機(jī)器人探測(cè)器圍繞太陽系飛行。地外文明探索（SETI）項(xiàng)目：40年來沒有發(fā)現(xiàn)任何文明發(fā)出的無線電波。第四十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二其他的高級(jí)智慧文明都在何處呢？假設(shè)：銀河系中存在數(shù)千個(gè)高級(jí)文明社會(huì)，銀河系中的星際移民用機(jī)器人太空飛船即可輕易實(shí)現(xiàn)。觀測(cè)結(jié)果：未發(fā)現(xiàn)外星人，或其活動(dòng)痕跡。結(jié)論：我們的假設(shè)可能存在缺陷。是什么原因?qū)е挛覀冞^高地估計(jì)了銀河系中存在智慧生命的可能性呢？

—答案終有一天會(huì)水落石出！第四十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

地球幸運(yùn)地?fù)碛兄腔凵枰乃?。地球?.03%是水，它們來源于早期撞擊地球的小行星和彗星。類地行星水量：小于0.01%為沙漠；大于0.05%則為澤國(guó)。大部分巖態(tài)行星不是沙漠就是澤國(guó)—沒有技術(shù)生命（Te