发现遥远星球上的外星人，或许是一场赌博？

迟到399

在NASA戈达德太空飞行中心园区的普通砖房里，数千台自动售货机大小般的电脑，在震耳欲聋的数据处理合唱中嗡嗡作响。日日夜夜不停息，每秒完成达7千万亿次计算，这些电脑统称为NASA（NASA）的”发现“超级计算机，其任务是运行复杂的气候模型来预测地球未来气候。但现在，还在探索更遥远的事情，在过去20年里，在太阳系之外发现的4000多颗奇特怪类地行星中：


是否有任何一颗可以支持生命的存在，并有外星人呢？科学家们发现，这些问题的答案很可能不仅是肯定的，而且与地球相比，在一系列令人惊讶的条件下，答案也更加让人着迷。这一发现促使许科学家努力解决一个问题，这个问题对于NASA寻找地球以外的生命至关重要。但有没有可能，我们对什么使行星适合生命的观念过于局限了呢？下一代强大的望远镜和太空天文台肯定会给我们提供更多线索。


这些仪器将首次让科学家分析最诱人的行星大气层：像地球这样的岩石行星，表面可能有生命的基本成分（液态水）流动在它们的表面。目前，很难探测到遥远的大气层，按照今天的技术，向太阳系外距离最近的系外行星发射航天器也需要7.5万年才能抵达。即使有强大的望远镜，也几乎不可能对附近的系外行星进行详细研究。问题是，它们太小了，被恒星的光淹没了，科学家们无法辨别出它们反射的微弱光信号，这些信号可能会揭示地表生命的化学成分。


换句话说，正如许多科学家喜欢指出的那样，探测这些系外行星周围大气的成分，就像站在华盛顿特区，试图在洛杉矶的探照灯旁边瞥见一只萤火虫。加州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室的首席系外行星科学家Karl StapelFeldt说：这种现实使得气候模型对探索至关重要，这些模型对我们应该看到的东西做出了具体、可测试的预测，这些对于设计未来的望远镜和观测策略非常重要。
太阳系-地球是个好例子
在用大型地面和太空望远镜扫描宇宙的过程中，天文学家发现了各种各样的外星世界，它们似乎是从想象中画出来的。NASA戈达德天体物理学家伊莉莎·昆塔纳(ELISA Quintana)领导了开普勒-186f行星的发现，这是一颗地球般大小的类地行星。昆塔纳表示：很长一段时间里，科学家们专注于寻找类似太阳和地球的系统。因为太阳系是我们所知道的全部，但发现的行星种类繁多，发现了像月球一样小的行星，也发现了像木星一样大巨型行星。


还发现了一些围绕小恒星、巨恒星和多恒星系统运行的行星。事实上，NASA开普勒太空望远镜和新的凌日系外行星调查卫星“苔丝号”以及地面望远镜探测到的大多数行星，它们的大小介于岩态地球和气态天王星之间。到目前为止，在大小上最接近地球的行星，理论上是最有可能具有宜居条件的行星，目前只在“红矮星”周围发现，红矮星构成了银河系中的绝大多数恒星。但这很可能是因为红矮星比太阳更小、更暗，所以围绕红矮星运行的行星，发出的信号更容易被望远镜探测到。


因为红矮星很小，行星必须靠得太近（比水星离太阳的距离还要近）才能保持引力锁定。由于红矮星与所有其他恒星相比都很冷，所以行星必须离它们更近，才能吸收足够的热量，让液态水在表面汇集。目前在红矮星系统中发现最具吸引力的行星有比邻星b，比邻星b是距离我们最近的系外行星。在太阳系附近的TRAPPIST-1系统中也有七颗岩石行星，但这些行星是否能够维持生命依旧是一个有争议的问题。


科学家们指出，红矮星在其行星上喷出的有害紫外线和X射线辐射，比太阳射入太阳系的辐射要多出500倍。从表面上看，这种环境会剥离大气层，蒸发海洋，也能摧毁DNA。然而也许不是，尽管有辐射，地球气候模型显示，红矮星周围的岩石系外行星可能是宜居行星。安东尼·德尔·吉尼奥(Anthony Del Genio)是美国国家航空航天局(NASA)戈达德空间研究所(Goddard Institute For Space Studies)的退休行星气候学家。
大气层和海洋的作用
在吉尼奥职业生涯中，模拟了地球和其他行星的气候，包括比邻星b。吉尼奥研究团队模拟了比邻星b上可能的气候，以测试需要有多少比邻星的热量会让比邻星b足够温暖和潮湿，足以容纳生命。这种类型的建模研究帮助NASA科学家，识别了几个值得用NASA即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜进行更有生命希望研究的行星。虽然模拟研究不能告诉观测者是否有任何行星适合居住，但可以告诉他们：


某个行星是否处于可以进一步搜索合适候选行星的中间位置。比邻星b围绕半人马座比邻星运行，这是一个三恒星（三星）系统，距离太阳仅4.2光年。除此之外，科学家们对此知之甚少。同时科学家认为它是岩石行星，估计略大于地球的质量。科学家可以通过观察比邻星在绕其轨道运行时受到比邻星b引力的大小来推断其质量。比邻星b的问题是：这颗行星绕太阳一圈只需要11.2天，而地球绕太阳一圈需要365天。


物理学告诉科学家，这种安排可能会让比邻星b被引力锁在它的恒星上，就像月球被引力锁在地球上一样。如果是真的，比邻星b的一侧将面对恒星的强烈辐射，而另一侧冻结在黑暗的太空中，这对两边的生命都不是好兆头。研究模拟显示，比邻星b，或任何具有类似特征的行星，也可能是宜居的，引为大气层和海洋在其中起着基础性的作用。Del Genio团队升级了20世纪70年代首次开发的地球气候模型，创建了一种名为Rocke-3-D的行星模拟器。


比邻星b是否有大气层是一个悬而未决的关键问题，有望通过未来的望远镜来解决，在每一次模拟中，研究团队改变了比邻星b空气中温室气体的类型和数量。也还改变了海洋的深度、大小和盐度，并调整了陆地和水的比例，看看这些调整将如何影响比邻星b的气候。像ROKE-3-D这样的模型，开始时只有一些关于系外行星的基本信息：大小、质量和与恒星的距离。科学家们可以通过观察一颗行星从它前面穿过时恒星发出的光线减弱：


或者通过测量一颗行星围绕恒星旋转时对它的引力来推断这些事情。这些稀少的物理细节为方程式提供了信息，这些方程式包括建立最复杂的气候模型所需多达100万行计算机代码。该代码指示像NASA发现超级计算机这样的计算机，使用既定的自然规则来模拟全球气候系统。在许多其他因素中，气候模型考虑了大气层和海洋如何循环和相互作用，以及来自太阳的辐射如何与行星大气和表面相互作用。


当研究团队在发现超级计算机上运行ROKE-3-D时，看到比邻星b的假想大气通过偏转辐射，起到了巨大的太阳伞的作用。这可以将比邻星b面向太阳的一侧的温度从过热降低到温暖。其他科学家已经发现，比邻星b可以形成如此巨大的云层，如果人们从表面抬头看，它们会遮蔽整个天空。NASA戈达德行星科学家拉维·科帕拉普也对系外行星的潜在气候进行了建模，他说：如果一颗行星被引力锁定，并沿着轴线缓慢旋转，那么恒星前面就会形成一圈云层，总是指向它。


这是由于一种名为科里奥利效应的力，它会在恒星加热大气的位置引起对流。同时还对系外行星的潜在气候进行了建模，模型显示比邻星b可能就是这样的。除了使比邻星b的白天比预期温度更高之外，大气和海洋环流的结合，将使温暖的空气和水在行星周围移动，从而将热量输送到寒冷的一侧。因此，比邻星b不仅可以防止夜间的大气结冰，还可以在夜间创造出一些局部条件，即使这些区域看不到光，这些区域也会在表面上保持液态水。
以新的眼光看待
大气层是围绕行星的分子包层，除了帮助维持和循环热量外，大气还分配滋养生命或由其产生的气体。这些气体就是科学家们将在系外行星大气层中寻找的所谓“生物特征”，但到底应该寻找什么依旧没有确定。太阳系地球是科学家拥有维持生命大气层化学成分的唯一证据。然而，当使用地球的化学物质作为银河系其行星模型时，必须谨慎。例如，戈达德行星科学家贾达·阿尼(Giada Arney)的模拟表明：即使是像氧气这样简单的东西也可能构成陷阱。


如果外星文明在数十亿年前将望远镜对准地球，希望发现一颗在被氧气包裹的蓝色行星，他们也会失望的；也许他们会把望远镜对准另一个世界。但是，在38亿到25亿年前，甲烷可能是寻找生命的最好生物特征，而不是氧气。这种分子在当时是大量产生的，很可能是由海洋中悄悄诞生的微生物产生。地球历史上这一阶段的有趣之处在于，与现代地球相比，它是如此的陌生。当时地球还没有氧气，所以地球在望远镜里甚至不是一个淡蓝色的点，而是一个浅橙色的点。


这可能是笼罩着早期地球的甲烷烟雾所产生的橙色雾霾。像这样的发现“拓宽了我们对系外行星可能性的思考”，有助于扩大行星科学家将在遥远行星大气层中寻找的生物特征清单。虽然行星气候模型是理论上的，这意味着科学家们还没有机会在现实世界中进行测，但它们为未来的观测提供了蓝图。模拟气候的一个主要目标是确定韦伯望远镜和其他任务中最有生命存在希望行星，以便科学家能够最有效地利用有限而昂贵的望远镜时间。


此外，这些模拟正在帮助科学家创建一个潜在的化学特征目录，也许会有一天会检测到这些特征。拥有这样的数据库，可以帮助科学家们快速确定正在观测的行星类型，并决定是继续探测还是将望远镜转向其他地方。Del Genio还指出：发现遥远行星上的生命或许是一场赌博！人类敢赌吗？能赌赢吗？从历史人类探索宇宙的雄心来看，当然是敢的吧？如果我们想要最明智地观察探测，气候模型就显得尤为重要，因为这只会增加找到机率。


博科园｜研究/来自：NASA戈达德太空飞行中心
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