葵花形的“星影”(Starshade)將為WFIRST遮住恒星光線,使其專心觀測周圍的行星。圖片來自網(wǎng)絡(luò)
地球面臨毀滅危機(jī),人類移民新的家園,外星文明飛越光年的距離造訪地球,這些都是科幻小說中常常出現(xiàn)的情景。人類能到哪里去?外星人能從哪里來?已成為困擾無數(shù)天文學(xué)家的難題。找到那些與地球類似的適宜人類生存的行星,則是破解這一難題的第一步。
日前,美國國家航空航天局(NASA)在到哪里尋找宜居行星和判斷行星是否宜居上都有所突破。人類距離找到真正能夠孕育生命和文明的系外行星又近了一步。
宜居行星范圍大幅縮小
什么樣的行星上可能存在生命?之前,科學(xué)家將恒星周圍溫度適合形成液態(tài)水的空間區(qū)域定義為“可居住帶”,位于其中的行星具備產(chǎn)生生命的基本條件。但是,這種條件只適用于最基本的單細(xì)胞生物,與人類等高等動(dòng)物完全不可同日而語。“宜居”勢必比“可居”更為嚴(yán)苛。
近日,位于加州大學(xué)河濱分校的NASA天體生物學(xué)研究所“替代地球”科研團(tuán)隊(duì)在《天體物理學(xué)雜志》上撰文指出,考慮到二氧化碳等氣體濃度,“可居住帶”中大部分空間都無法滿足高等動(dòng)物的生存需要。
研究人員利用計(jì)算機(jī)模擬不同行星的大氣氣候和光化學(xué)反應(yīng)。以二氧化碳為例,“可居住帶”中離恒星較遠(yuǎn)的行星需要這種“溫室氣體”使氣溫達(dá)到冰點(diǎn)以上,但其濃度一旦過高則將成為足以致命的“有毒氣體”。僅此一項(xiàng)就足以判斷,對于人類等高等動(dòng)物,“宜居區(qū)”不到“可居住帶”的三分之一。
更重要的是,對于某些恒星系統(tǒng)來說,根本不存在任何“宜居區(qū)”。比如太陽系的兩個(gè)鄰居,“半人馬座”比鄰星和Trappist-1等溫度較低、亮度較暗的恒星發(fā)出的紫外線輻射會(huì)導(dǎo)致其周圍行星一氧化碳濃度過高。這種行星上可能存在微生物,但絕不能成為人類和高等動(dòng)物的棲息地。
至今為止,天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了4000多顆系外行星。“這一發(fā)現(xiàn)提供了決定我們應(yīng)該更詳細(xì)地觀察這些行星中的哪一個(gè)的方法。”克里斯托弗·萊因哈德說。
“星影”計(jì)劃提高觀測精度
人類航天器還不能去探測任何一個(gè)系外行星,只能通過天文望遠(yuǎn)鏡觀測。如果要確定一個(gè)行星是否宜居,必須獲得行星大氣的光譜信息,對于類似地球的“巖石行星”,唯一可靠的方法就是直接成像。但是,由于恒星的亮度往往是行星大氣層反射光的數(shù)十億倍,所以觀測系外行星將面臨其環(huán)繞的恒星光照的嚴(yán)重干擾。
為了解決這一難題,NASA堪稱“腦洞”大開。首先,其計(jì)劃于20世紀(jì)20年代中期發(fā)射廣域紅外勘測望遠(yuǎn)鏡(WFIRST),該望遠(yuǎn)鏡的主鏡直徑達(dá)到2.4米,專門用于為“宜居行星”拍照。另外,NASA下屬噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)將與系外行星探索計(jì)劃(Exep)聯(lián)合研制名為“星影(Starshade)”的航天器,為WFIRST遮住恒星的光線,使其專心觀測周圍的行星。
怎樣使“星影”、WFIRST和目標(biāo)恒星在太空中精確連成一線,使“星影”的影子正好投在WFIRST的鏡頭上?
根據(jù)JPL在6月11日發(fā)布的聲明,“星影”、WFIRST之間的距離在20000—40000公里,大約是3—7倍的地球半徑,且二者位置的橫向誤差必須保持在1米之內(nèi),堪稱“超級精確”。JPL工程師邁克爾·巴頓表示,這相當(dāng)于一個(gè)飲料杯墊在100公里的距離上對準(zhǔn)一顆橡皮擦,偏差小于1毫米。
為了實(shí)現(xiàn)這一任務(wù),巴頓為WFIRST專門開發(fā)了一套計(jì)算機(jī)程序來確定“星影”位置是否準(zhǔn)確。同時(shí),JPL工程師蒂鮑爾特·弗林諾瓦等人開發(fā)了一套控制算法,其依靠巴頓程序提供的信息來控制“星影”推進(jìn)器的開關(guān)。
JPL認(rèn)為,使用自動(dòng)傳感器和推進(jìn)器控制來保持兩個(gè)航天器超過“地球直徑尺度”的完全對準(zhǔn)。