田丰田丰,清华大学地球系统研究中心教授、中科院国家天文台“百人计划”研究员,目前正在研究通过观测恒星的位移来发现真正的可居住行星。

寻找第二个地球

2014-05-25上海
我估计未来的十年之内,我们将会发现一颗真正的「第二个地球」,然后有人就跟我说,不用十年,五年可能就够了。。
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寻找第二个地球

田丰 2014-05-25

导演告诉我要站在正中间,所以我就一定要站好,然后不敢动一下。

谢谢一席讲坛的各位老师邀请我来,当时郭老师来找我的时候,我说这是一个很好的机会,因为我很愿意把自己研究当中所找到的特别有意思的东西跟大家分享,但是我又不知道具体应该讲什么东西,那我就从第一个讲者开始。

与蔡先生不一样的是呢,我是一个很笨的人,我的手很笨。我小的时候,大概七八岁的时候,我母亲就跟我说,你去把这个螺丝上上,然后完了之后我去上。过了大概十分钟,然后我母亲过来说,上好了没有?我说正在动。她说,不行,你这个手太笨你做不了工程师。她是一个工程师。所以呢,我在这引申一下,我手太笨呢我也做不了一个好的修复师。

但是一个手笨的人可以做什么呢?在我的这种情况下,就是可以找一些好玩的、不需要动手的东西做一些科学研究。所以手笨的人可以做科学家,抱歉啊,不是所有的科学家都是手笨的人做。那么我们就开始。

很久很久以前呢,大概是几千年了,我们就知道,太阳系呢有五颗行星。当时怎么看呢?就是古人躺在草地上,或者树上。没有事情干的时候,不像现在有这么多的电视啊电影啊,然后我们就看天上的星星。今天晚上星星在这个地方,到明天晚上太阳落山的时候呢?这个星星是不是还在同一个地方?

一般的星星都在同样的地方,所以它们叫做恒星。但是有一些星星呢?不在这个地方,所以这些星星呢叫做行星,这些行星呢分两种,一种是像地球一样的,就是这颗蓝色的这个行星,类地行星,质量小的,主要成分是岩石。

然后另一种呢就是木星和土星,长得巨大的气态的气体球,因为它们的质量还没有达到,没有太阳那么多的气,所以它们内核呢还没有达到核聚变所到的程度,所以它们自己不会发光发热;如果会发光发热呢就是恒星了,所以它们还是行星。

就是在很久以前呢。人们知道了有这些行星,人们就在想,因为我们是生活在这样的世界上,会不会天上也有其他的这样的像我们一样的世界。这个是古希腊哲学家,我能找到的最早的一位说,猜测说宇宙里是不是还有类似我们世界的行星?

那么到了十八世纪到十九世纪的时候,我们的行星世界就扩展了,不再是只有五颗行星,而是增添了两颗新的成员,一个是天王星,一个是海王星。

发现天王星这个故事很有意思,从那么久、几千年来人们都在想是不是有新的行星,然后有些专业天文学家就想着去做这个事儿,但是他们没有发现。没有发现怎么办呢?专业的天文学家后来就放弃了,我们不再去寻找太阳系新的行星了。

十八、十九世纪的时候,凡是试图寻找新的行星的人,都不被认为是严肃的天文学家。当时的英国格林威治天文台的台长是一个非常严肃的人,他就跟他们天文台干活的同志们说,你们不要花时间去寻找那些东西,你们应该花时间干嘛呢?要精确地测量月亮。我们已知的五大行星在天空上某时某刻它在什么地方,要精确再精确,你们一定要做这件事情,不做这件事情你们就没有完成你们的职责。

这是为什么呢?当时的天文学观测被认为是一种很精确的测量可以帮助航海,当时天文学有这么一个很有力的应用性,所以当时的专业天文学家主要干这个事情。但是发现天王星的这个人呢?你们猜猜他是不是专业的天文学家?他不是专业天文学家,他是业余天文学家。他的专业是什么呢?

他的专业很复杂,他是一个音乐教师,但是他的专业是搞教课,教大家小提琴;业余的时候呢,他喜欢磨镜子,所以他喜欢磨把镜片磨啊磨啊磨成一个透镜,所以他磨镜子的本事很好。他当时就磨了当时世界上最好的一套镜子,放大程度大概达到几百倍上千倍,然后他就去看,他可以看到月亮上的环形山,看得很清楚,当然伽利略在他之前很久就看了。

然后他再往外看,最开始他发现是不是一颗彗星,为什么呢?彗星在天上会动,而行星,几千年来都没有发现新的行星了。但是呢,他后来就写信给皇家天文学会、给天文台长,台长用他们的望眼镜去看,最后也确认了他的发现。所以这个就给我们一个很好的提示:不一定你非要做专业人士,专业天文学家才能够发现新的行星,专业天文学家当时不干这个事情。

然后到了一九五几年以后呢,人类就开始发探测器、进入空间。比如说是俄国人,原来的苏联人先干的这个事情,然后到现在呢,这个探测器,就前两年刚飞出了太阳系的边界,实际上它还没飞出去。

看你跟谁说了,你要去跟搞电磁学、搞太阳风的人说,他们说差不多旅行者号已经飞出了太阳的边界,指的是磁层的边界,太阳有磁场嘛,就可以把一些粒子捕获在它周围,它外面是一些星际介质,这里面呢就是这些星际介质,然后周围有一个边界,所以旅行者号飞出去了。

但是你要和搞动力学的人说,咱们上海天文台应该有搞动力学的,南京紫金山天文台在这方面是非常有名的,他们就说了,差得老远啦,虽然说你的旅行者号飞出了比如说这个是冥王星轨道,但是这外面呢,还有一大圈所谓的奥尔特云。

我们怎么知道有这个东西呢,就是你根据访问内太阳系的彗星的轨道,有的彗星的轨道非常陡,进来之后可能就不回来了;有的呢,是所谓的短周期的彗星,他们就说某一种彗星是从大概在海王星天王星轨道附近过来的,叫做库珀带天体;有的呢,是从更远的地方来的,所以它叫奥尔特云。

我们发现了更多更多的太阳系小天体,但是很遗憾的是我们还没有发现任何一颗新的行星,不仅没有发现新的行星,而且行星的数目还从原来的九大行星,然后减到了八颗,冥王星很不幸的被踢出了行星的行列,按照新的定义是因为它和海王星差不多是共享一个轨道,而它比海王星质量小,所以它就被踢出去了。多么不公平啊,但也没有办法,总是要定义一下。

所以经过了大概几十年,刚才是说几千年,到十八十九世纪,然后完了之后呢,从那个到现在可能有个几百年,绝大多数天文学家放弃了搜寻太阳系系外行星的努力,那一直以来就没有找到过。

在1995年的时候,有一个比较著名的天文学家,他在做了大概二十多年的系外行星搜寻工作之后,然后写了一篇文章在《天体物理》期刊上面发表,他的结论是,像木星一样的行星,在宇宙里或者在太阳周边,或者在银河系里是比较少见的,有这么一个木星是一个非常少见的例子。所以我们太阳系呢,这是在1995年发表的文章,这是一个很遗憾的事情。

但是呢,奇迹在大西洋的另外一边正在发生,也就是在某一年,这两个人,麦耶还有他的学徒,或者说是学生,他们就发表了一个文章,说是飞马座51B,大概是在这个位置,这个是飞马座,是一个星座,他这个位置我查了一下地图 Google一下,知道大概是在这儿,发现了一颗行星。这个行星,按中文名字是叫室宿增一,然后加上一个b,这是按照西方的传统,a是这颗恒星本身,b呢就是这颗行星了,然后发现了这个。

那现在呢给大家一个问题,看看大家有没有注意啊。第一颗太阳类型恒星周围的系外行星是什么时候被发现的?这个地方的答案呢是95年。95年的时候,那位先生,知名的天文学家经过几十年的努力搜寻,试图搜寻像木星一样的系外行星没成功,结果只好发表一篇文章觉得很遗憾,像木星一样的行星在宇宙里太少了。

他发表这个文章的当年,这颗太阳类型恒星周围的系外行星就发现了,它的名字就叫飞马座51B。这是非常有趣的巧合。我们人类发现的第一颗,太阳以外的恒星周围的行星,那个恒星就是太阳类型,也不太大也不太小。

后来呢,我读了一本书,说发现行星的历史是怎么发现的呢?我是比较喜欢看这种杂书,完了之后得到一些八卦消息,我觉得也很好玩,它也告诉我们一些事情,就是为什么原来的这些天文学家,他们经过几十年努力结果没有发现这颗行星:是因为像这样的行星,它的轨道周期非常短,它这个行星离恒星非常非常的近。

举个例子来说,木星要绕着太阳转一圈的话呢,大概需要十几年的时间,所以他们就攒了很多很多的数据去分析,去专门找十几年那个周期,结果他们没找到。而这颗行星呢,绕着这个飞马座51转的周期大概只有三天。所以就是说,当飞马座51b被发现之后,很多美国的天文学家又回去看,搜看他们攒了很多年的数据,他们再去翻,他们也发现那数据就在他们手边,但他们就没有去分析,没有按照这个周期去分析。

而麦耶这两个瑞士科学家,他们为什么能够发现这个呢?那是因为他们原来不是搞行星的,也不是搞行星搜寻的,他们两个人原来是搞双星的,就是两颗恒星绕着转,而双星的轨道周期呢,可以非常长也可以非常短,有很多双星大概就是几天那种周期。

所以当他们进入搜寻行星这个领域的时候,他们没有任何包袱,没有任何偏见,说我必须去找十年周期的,这才是行星,他们没有这种想法。所以他们直接就去分析,一看,这个好像三天有一个信号。然后最后他们发现了。

所以这个告诉我们说,不是专业的这个行业的人到里面去做一个工作,可能反而更好。你没有这种偏见,那么简单说一下系外行星的搜寻方法。大家不要着急,如果你觉得听不懂的话,回来给我发信,我可以给你们讲,秋天我会在清华再讲一门课的,所以一个学期我都会在讲这个,欢迎你们来旁听。

视向速度法,所谓视向速度法就是说,如果我这儿有一颗行星,它绕着这恒星转,因为呢,行星绕着恒星转,是因为恒星拽它;那反过来说,那么恒星也会因为行星的运动,而在它的这个位置上稍微抖动一点、绕动一点;而它绕动的时候呢,就有一个所谓的多普勒效应,如果在一个火车边上就知道了,火车冲着你过来的时候,火车声音就会变尖;它离你远的时候,火车那个哨声就会变得低频;然后这个光也是一样,也会有这个作用。

所以这个恒星光的频率呢,这边是蓝移,这边是红移,观测这颗恒星的谱的时候呢,你可以根据这个谱然后去判断这颗恒星是向你走还是往远处走;然后反推,就可以推出这个行星的位置、这个行星的存在。

还有直接成像法,如果我直接盯着这颗恒星看,看得时间足够长,那它应该在我的望远镜上有一个光斑,那这是一个办法,这是最直接的办法。

还有一个大类,就是所谓的掩星方法,当我们看着一颗恒星的时候,然后如果正好有一颗行星从我和它之间走过,正好它会遮这颗恒星面积的一部分,那这颗恒星的光呢就会降低一点,等这颗恒星走开的时候呢这个光又回去,这是一个很简单办法。

所以利用这些所有的办法呢,到今天为止,我们已经发现了大概一千七百多颗系外行星,这些行星呢有热的也有冷的,热的行星的温度,可能比如说达到几千、两千开尔文,在这种情况下,水早就蒸了,但是因为这些行星呢,主要是气体球,所以它能够拽住它的大气。

另外这些行星呢,还有一些很冷的,像咱们的Neptune 这个是海王星因为它离太阳远了,所以它的温度就低。

但是还有一些行星呢,它是一种流浪行星,就是这些行星并不是绕着这些恒星转的,那它为什么存在呢?现在一般认为,这些行星是在恒星形成和行星形成的过程中,有很多行星在转,然后相互之间靠的太近了呢就会把一些行星踢出去,所以这些都是被提出家门的流浪汉。

当然我们说热的行星呢,还有一部分有可能并不是因为它离恒星近,还有一个可能呢是因为它周围有一个很坏的所谓的big brother,如果说大家知道潮汐力,是有可能让行星内部温度升高的。所以像这种情况开普勒36b,是因为离这颗巨行星太近了,巨行星每经过它一遍呢,它就被吸引的变形,它一变形的话内部有摩擦,它就会变热。

还有一些很有意思的行星,上面观测的时候看它发蓝、非常非常蓝,大家认为呢,有可能是正在下所谓的玻璃雨。然后在双星周围也发现了这个行星,在这个开普勒16b的情况下呢,A和B是这两颗恒星,然后16b本身呢就在这儿转。

但是发现了这么多的行星里面呢,我们可以按照它的大小进行一个排列,比如说像木星一样的行星呢大概有七八百颗了。然后最新的开普勒观测呢,就是说给我们增多了百分之二的情况,就是开普勒发现了几十颗类木行星,然后像这边的地球一样的或者超越地球一样大小的呢原来发现很少,但是现在一下子就涨了四倍或者六倍,所以这是现在我们已知的系外行星大小的分布。

现在就再给大家一个问题,就是说已知的系外行星中的大多数都是类木行星,这个是正确的还是错误的?错误的,为什么,为什么说这是错误的?

就是说如果你看这个图,就是已知系外行星的话,大多数当然是类木行星、气体行星,就是说开普勒实际上只观测了全天面积的千分之三,就是他盯着一个方向看,只看那个千分之三的面积。如果说你把开普勒发现的这些橘黄色的东西,把它推广到全天的话呢,实际上你应该看到的是这种分布。

这个是类木行星,然后呢这个是类似于天王星、海王星的行星;这些是所谓的超级地球、地球大小的行星。所以按照这个道理说呢就是,我们知道银河系里面存在的行星呢,绝大多数应该都不是类木行星,应该是这边的行星。

最后剩下的一点时间呢,给大家简单讲一讲什么样的行星是宜居行星。一般来说宜居行星的定义呢大家可能都知道,就是说什么样的行星,它的表面必须是一个固体的行星,像地球一样。

然后它的表面呢有海洋存在,而且呢,不是说有一段时间有海洋,而是长时间有海洋,这个长时间没有一个具体的定义,但是我们可以说,就说十亿年吧,因为地球到现在大概有四十五亿年的年龄,就是说有十亿年时间能够维持一个海洋的存在。

那么一个行星表面的温度呢,主要是由它得到的光和热,还有它行星的大气成分来决定的。如果我们拿太阳打比方,太阳系的行星做比方,可以说离太阳越近的行星可能就热一些,因为离火堆近就会觉得热嘛;然后离太阳远呢,你就会冷一些;然后我们不远也不近的话,这就是我们的地球。

在这种情况下,地球离太阳的距离大概是一个日地距离,然后地球从太阳得到的能量、光,大概是一个太阳常数的单位。然后金星呢,离得太近;火星呢,离得稍微远一点。所以我们就定义一个恒星的可居住带,或者说宜居带。

这个是,如果你把不同类型的恒星画在一个纵坐标上,那么这个宜居带呢离这个恒星到底有多近,在这个地方显示。前两天得到一个大新闻说,NASA又发现一个宜居带内的地球大小的行星,所谓的开普勒186f,所以在这个系统里边有好多行星。

如果把这个系统和我们太阳系放在一块儿比较呢,你会发现这个f 实际上是和水星的轨道距离差不多。那么它为什么还在宜居带里面呢?这是因为呢恒星本身比我们太阳小很多,它质量小了发光发热的能力就弱,那么它就不像太阳那么发光、那么热,所以它的宜居带呢,也要离它这个恒星近一些。

不光是开普勒186f,我们还发现好多其他的可能的宜居行星,比如说Gliese581g 581d Tau Cetif,然后开普勒62f什么的。这里面我最喜欢的实际上是这两颗,一个是HD40307G,这颗恒星的质量跟咱们太阳差不太多,大概是太阳一半的质量,比一半大一些;然后另外一个是(GJ667Cc),这个好玩的地方呢就在于,Kepler 667C 本身是一个三巨星系统里面的一颗恒星。

就是说有三颗恒星互相绕着转,然后它呢又是这颗恒星的第三颗行星,然后呢,同样的在这颗恒星的宜居带里面有三颗行星。所以如果这三个行星上面都有生命发展的话,那就可以期待这颗行星可以放一个飞船,把它上面生产的好玩的东西,最有用的东西放到其他行星上,所以可能行星际的商业就可以开始了。咱们太阳系现在是不大可能了,因为我们在火星上没看到生命。

另外一个好玩的是,我们只有一颗太阳,在这颗行星上呢,你可以看到除了太阳之外,还有两颗其他的恒星。这是日落,是艺术家的想象,不是我的。这是未来的系外行星的探测计划,国际上有这么多,中国呢,我很高兴地跟大家说,我们也有自己的宜居行星探测计划,但是我们宜居行星探测计划的首席科学家比较低调,他再三强调跟我说,不要高调宣传。

所以不能够说,所以在这,我不能跟大家说过多的细节,但是,我可以跟大家说的是呢,比如说到明年夏天结束的时候,我们就应该知道,我们的宜居行星探测计划是不是能够上马,如果可以的话呢,我们在2020年就会发射一个卫星到天上去,去探测太阳周围的宜居行星,这个计划如果成功的话,那就是非常好的事情。

OK,最后呢,我就把这个留给大家,我们现在发现了一千七百多颗系外行星,从1995年到现在不到20年的时间,所以平均下来你会发现,大概每三天我们就发现一个新的行星,然后最新的研究认为呢,每5颗太阳类型的恒星周围就有一颗宜居行星。

所以我在开会的时候跟大家说,我说,我估计未来的十年之内,我们将会发现一颗真正的「第二个地球」,然后有人就跟我说,不用十年,五年可能就够了。

不管怎么说,那我们就期待「第二颗地球」的发现。