葵花形的“星影”（Starshade）將為WFIRST遮住恒星光線，使其專心觀測(cè)周圍的行星。圖片來(lái)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(shuō)中常常出現(xiàn)的情景。人類能到哪里去？外星人能從哪里來(lái)？已成為困擾無(wú)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(guó)國(guó)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(yǔ)。“宜居”勢(shì)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(wú)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(guò)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(duì)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(duì)于某些恒星系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，根本不存在任何“宜居區(qū)”。比如太陽(yáng)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(guò)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(shuō)。
“星影”計(jì)劃提高觀測(cè)精度
人類航天器還不能去探測(cè)任何一個(gè)系外行星，只能通過(guò)天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)。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(duì)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(cè)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(kāi)。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(cè)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(cè)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(jí)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(duì)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(kāi)發(fā)了一套計(jì)算機(jī)程序來(lái)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(kāi)發(fā)了一套控制算法，其依靠巴頓程序提供的信息來(lái)控制“星影”推進(jìn)器的開(kāi)關(guān)。
JPL認(rèn)為，使用自動(dòng)傳感器和推進(jìn)器控制來(lái)保持兩個(gè)航天器超過(guò)“地球直徑尺度”的完全對(duì)準(zhǔn)。
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