未来十年人类探索地外生命的努力

伤我心太深

今年航天飞机结束了它30年的历史使命。自苏联的斯普尼克卫星上天和美国的阿波罗登月以来，激励了几代人的太空探索何时再现辉煌！我个人认为，下一个划时代的事件要么是载人行星探索，要么是地外生命的确认。美国目前暂时放弃了前者，那么在地外生命的探索上，我们都有哪些正在或将要进行的项目呢？

据美国宇航局介绍，美国自己以及与欧洲航天局、日本宇宙空间研究开发机构合作，有十来个与地外生命探索有关的项目正在或将要进行。

——信使号水星探测器（MESSENGER）。2004年发射，今年3月18日进入环绕水星轨道。信使号除了对水星地表、磁场和稀薄大气等进行探测，进一步了解太阳系行星的诞生过程之外，一个重要的任务就是要确认在它的极地环形山内侧是否有冰存在，从而扩展人们对类地行星的知识，有助于筛选其他星系可能有生命存在的候选行星。（三年后，欧洲航天局与日本宇宙空间研究开发机构合作发射的BepiColombo飞船也将到达水星，对水星磁场进行研究。）

在水星轨道上运行了5个多月的信使号已经发回了大量有关这颗距太阳最近的行星的资料


——火星科学实验室（Mars Science Laboratory）。预计今年11月25日发射，明年8月在火星软着陆，将一台775千克重的六轮漫游车送上火星，它所携带的仪器设备将在近两个地球年的时间内采集和分析火星的岩石和土壤样品，寻找有机物质，试图发现火星是否曾经有过、甚至今天还可能有微生物存在的证据。

火星科学实验室的漫游车示意图（左）实验室测试（右）


——太空生物学火星探测/微量气体卫星（ExoMars/Trace Gas Orbiter）。这是一个以欧洲航天局为主、美国宇航局参与研发的探测项目，预计2016年将一个卫星送入环绕火星的轨道，并且将一个漫游车送上火星表面。自从2003年发现火星大气含有微量甲烷以来，科学家们想要知道它究竟来自哪里。因为除了在星际云有甲烷存在之外，甲烷也是生物活动的重要副产物。火星的甲烷究竟是从太空捕获的，还是自身产生的，关心地外生物的科学家们想要知道这个问题的答案。

太空生物学微量气体卫星（左）与火星探测漫游车（右）示意图


——月球重力再现与内部结构实验室（Gravity Recovery and Interior Laboratory, GRAIL）。计划于今年9月8日发射，明年1月份进入月球轨道，部署两颗月球卫星。这两颗卫星的位置非常精确，通过它们之间以及与地面站发射和接受的Ka频段（26.5至40千兆赫）无线电信号，测定其位置与距离的变化，从而将整个月球内部的重力结构精确地描绘出来，将有助于研究月球的地质环境和它的生成过程，进而帮助人们认识类地行星的演化历史。

为了让卫星精确地进入月球的近月轨道，同时也可以节省发射功率，它不像阿波罗飞船仅用3天就抵达月球，而是通过太阳-地球第一拉格朗日点飞往月球，所以要花3个多月的时间。（关于拉格朗日点，关心航天事业的读者可能知道，那是一个质量可以忽略不计的小天体与太阳和地球之间的位置保持不变的五个空间点。最近中国的嫦娥2号在完成了月球考察任务之后，利用它剩余的燃料，飞离月球，到达与太阳和地球保持静止的第二拉格朗日点，扩展太空考察任务。）

GRAIL还有一个有创意的构想，就是它的每个卫星都带有一套“中学生月球知识获取系统”（Moon Knowledge Acquired by Middle school students, MoonKam），每个MoonKam有4个摄像头和一个数字录像控制器，在GRAIL进行科学考察的阶段，学生们可以申请对自己感兴趣的月球环形山、月海或其他月貌进行拍照，宇航局会将照片发布上网，学生们可以用它来完成自己的科学学习项目。




在正文开始之前，先简单回答读者的一个问题：探索地外生命与宇宙起源演化有什么关系？
著名物理学家费米半个多世纪之前曾经提出过一个困扰了无数人的佯谬：既然地球和太阳系在已经有上百亿年历史的浩渺宇宙当中绝非天之骄子，宇宙里就应该有数不清的生命群落，为什么我们找不到他们？两件事与这个问题有关，一个是宇宙间究竟有多少与地球类似的环境，另一个是在类地环境中生命演化的历程。类地环境数量可能十分庞大，但是生命特别是智慧生命在宇宙历史舞台上演出的时间是那么的短暂，它可能是阻碍我们发现宇宙邻居的重要原因。正因为如此，宇宙以及恒星/行星系统的诞生、演化，包括星际有机分子的分布等基础问题，就都与地外生命的探索有密切的关系。
现在回到与探索地外生命有关的项目。上一篇提到的都是针对太阳系的内行星，今天则介绍针对外行星以及太阳系外宇宙空间与地外生命探索有关的工作。
——单孔径远红外天文台（Single Aperture Far-Infrared Observatory, SAFIR）。计划于2015年发射升空，抵达与太阳-地球相对静止的第二拉格朗日点，也有可能采用替代方案，进入半径为3个天文单位的环绕太阳轨道。
SAFIR的主要仪器是一台深冷光圈大孔径红外空间望远镜（Cryogenic Aperture Large Infrared Space Telescope Observatory, CALISTO）。它采用离轴格里高利光学设计，除开体积方面的考虑之外，更重要的是因为要研究早期宇宙，包括星系生成和类太阳系的行星演化历史，特别是探测存在于星际空间与生命起源可能有密切关系的有机分子，需要接受微弱的亚毫米红外信号，而格里高利式的光路设计有利于排除来自银河系与黄道带尘埃的辐射干扰。加上SAFIR的5层遮阳板和制冷设备，将望远镜镜面和仪器冷却至绝对温度4摄氏度甚至更低，使得背景辐射远远低于以往的空间红外望远镜，可以探测更加遥远的距离，得到更为精确的结果。

左边是SAFIR的示意图。右图为荷兰莱登天文台尤特坎帕（Ruiterkamp）绘制，显示星际介质中与生命起源有密切关系的各种有机分子，SAFIR将要测定它们的数量，了解它们的生成和消解机制，进而探索它们与行星上的生命演化之间的关系。

——詹姆斯韦伯空间望远镜（JWST）。这是美国宇航局用来接替哈勃空间望远镜的项目，协作单位有欧洲航天局和加拿大航天局，另外还有10多个国家参与。原先计划今年发射，后来因为哈勃望远镜经过维护寿命延长，加上预算超支造成经费问题，现在至少推迟到2018年才能实施。
JWST将部署在第二拉格朗日点，远离地球尘埃，同时不需要像哈勃望远镜那样随着绕行地球的轨道运动而不停地调整聚焦。它的金属铍主镜面积比哈勃大5倍以上，接收设备为四台近红外或中红外照相机和光谱仪，可以探索从大爆炸之后不久直到形成有生命的行星系统的宇宙演化历程。

左为詹姆斯韦伯空间望远镜，右边小图显示JWST探测早期宇宙（左上），星系和暗物质的演化（右上），恒星及其行星早期历史（左下），包括太阳系在内的恒星/行星系统的物理化学特性及组成生命的成分（右下）

——其他正在进行或将要进行的探索计划有：
1997年与欧洲航天局联合发射的卡西尼-惠更斯土星飞船，目前看来有可能将其寿命延长到2017年，以便当土星夏季来临时研究它的气候变化；
计划于2020年前后实施的木星卫星探测计划。这也是与欧洲航天局合作的项目，其中美国木卫二飞船因为预算紧缩可能会推迟。日本与俄罗斯表示有意加入这项计划；
2004年欧洲航天局发射的罗塞塔飞船，将于2014年与67/P彗星会合，跟随彗星两年，并将一个机器人送上彗星。美国宇航局位于加州理工学院的喷气实验室为该计划提供了三台重要仪器；
计划于2012年2月发射的核光谱天文望远镜阵列（NuSTAR）。这是首次专门用于高能X射线探测的地球轨道望远镜，它的性能将大大超越同样光谱范围的地面设备，对研究宇宙空间的黑洞分布、超新星爆发和最为活跃的星系中心极强等离子喷流等将提供有力的工具；

（左一）卡西尼-惠更斯土星飞船在2009年11月拍摄的土卫二南极附近水/冰羽状喷射 （左二）木星卫星探测计划示意图 （左三）罗塞塔飞船将机器人送上彗星示意图 （左四）NuSTAR示意图

（所有图片的原图均取自美国宇航局网站）