首都科学讲堂丨超级望远镜——寻找另一个地球

▲超级望远镜——寻找另一个地球（上）

▲超级望远镜——寻找另一个地球（下）

【主讲嘉宾】

北京天文馆科学研究部副研究员

地外有其他的文明吗？

从知道宇宙中还存在着很多其他恒星开始，人们就在思考这个问题。毕竟，地球上真的存在着很多能让人产生无限遐想的地方，比如这个石浮雕。

▲玛雅石浮雕。（图源：Pinterest）

它是什么时候的产物呢？古玛雅。玛雅文明诞生于4000多年以前，有趣的是，浮雕中还有一个像人一样的生物，它坐在一个特别大的飞船上在天空中遨游。这会不会是当时的玛雅人把看到的地外文明刻在了石头上呢？没人知道，因为古玛雅文明已经彻底消亡了，没有人能告诉我们答案。同样的还有埃及的金字塔、英国的巨石阵乃至复活节岛上的巨石像……这些遗迹会是外星文明来过地球的象征吗？人类很好奇。

1877年，一位意大利科学家声称自己看到火星上有运河的痕迹。放到现在，这听上去好像不太靠谱，但事实上，因为火星距离我们较近，所以如果用比较大的望远镜看的话，的确能隐约看到火星上的一些地貌特征，但肯定看得不会太清楚，模模糊糊的，让人感觉好像是看到了运河。

那火星上到底可不可能有人造景观，甚至生命呢？这得要从宇宙中生命起源的要素说起。

众所周知，地球上的生命想要存在是需要很多基本元素的，比如氢、氦、氧和碳，而这些在宇宙中倒是最不缺的。其次就是水，大家都知道地球上所有的生命都离不开水——尤其是液态水。所以在我们看来，如果想找到一颗可能存在生命的星球，那首先它一定要有液态水。

除了水，比较恒定的能量供给也很重要。在地球上，我们稳定的能量来源是太阳。太阳虽然只是宇宙中非常普通的一颗恒星，但它的优势是寿命——100亿年。相比之下，宇宙中一些演化周期很短的恒星就比较难孕育文明了。再加上我们与太阳的距离也“刚刚好”，这就保障了地球能有稳定的温度。

最后一点就是稳定的大气。不是所有的行星都像地球一样有合适的大气条件，因为地球大小适中、质量适宜，既有足够的引力维持大气，又不至于让这层大气过于稠密。在满足了以上几点后，一颗理想星球还需要有合适的公转和自转——如果一个行星自转得特别快或者公转一圈特别久，它也难以形成适合的气候。

基于这些要素，人们提出了“宜居带”这个概念。这张图是以太阳系为例，位于中间的是太阳，由内向外分别是水星、金星、地球、火星和木星等行星的轨道，绿色的就是宜居带。

▲太阳系宜居带。（图源：Spazio）

为了看看宇宙到底有没有其他的文明，从上世纪起，人类就开始进行星空探测活动了。比方说，为了解开火星的“人造河之谜”，美国人发射了“水手5号探测器”，可最后发现这条人造运河是不存在的。

超级望远镜是什么？

为了更好地长时间地观测宇宙中的星星人类发明了各种望远镜。那么，到底什么样的望远镜适宜观测系外行星呢？

400年前，望远镜被人们发明出来，最开始使用望远镜进行天文观测的人大家肯定都认识——意大利的天文学家伽利略。那时候，望远镜的口径大概只有4厘米左右，很小，但是却实现了对人眼的放大和延伸。

我们都知道人眼的瞳孔只有几毫米，看天上那些暗淡的星星很难，也不太能分辨出距离很近的两颗星星，但有了望远镜一切就不同了。据说伽利略用这个4厘米的小望远镜看到了月球的环形山，甚至土星光环和木星4颗最大的卫星。

伽利略之后，英国天文学家牛顿又改造了望远镜，让它的口径更大——口径越大，越能看到更暗的天体，即我们所讲的“看得更深”。举例来说，100年前美国克拉克父子制造了一款顶配版的折射式望远镜，这时候它的口径就能达到1米左右了。

可人们对此还不满意，还想把望远镜的口径做得更大些。那怎么办？改构造呗，像牛顿一样做更高配的反射式望远镜！1947年建好的美国海尔望远镜口径能有5米，到现在都能用来观测而且效果依然很好。

▲凯克望远镜。（图源：李昕供图）

在夏威夷大岛的最高峰、海拔4000多米的Mauna Kea天文台，也有着望远镜界的“爱马仕”——凯克望远镜。在这个世界观星条件最好的地方之一，有两个大圆顶的建筑，那就是凯克1号和凯克2号望远镜，它们是人类目前能做到的光学望远镜里口径最大的望远镜，单个口径大约有10米——由36块1.8米的六边形小镜片共同拼接而成。

在未来，人们还计划在夏威夷这里，就在凯克望远镜边上，建造更强版本的TMT望远镜。类似于凯克，TMT望远镜也由1米左右的小望远镜拼接出30米的等效口径，届时它能帮助我们看到更暗的天体，而且看得更精确、分辨率更高。

除了以上谈到的各种光学望远镜，我们还发明了巡天望远镜。通常，现在的巡天望远镜的口径不会特别大，可能也就2米或1米，但它却有着更大的视场。加之有高质量的探测器和强劲的后端处理能力，巡天望远镜能在短时间内拍到范围更大的天区，让人类看得更宽、更广。

如何观测系外行星？

那这些超级望远镜要怎么用呢？毕竟，天上的行星距离我们那么远，直接观测也太强人所难了。好在，人类想到了一个很好的观测方法——凌星法。

▲凌星法探测原理。（图源：李昕供图）

宇宙中的行星距离我们非常远，所以它们都很暗，不易被我们发现，但它们的运行规律跟太阳系却很相近，都是行星围绕恒星转。由于恒星发光行星不发光，所以当行星绕着恒星转的时候，如果它正好转到我们和恒星之间、挡住了中心恒星的一部分光，我们在拍摄这颗恒星的时候就会发现，它的亮度在一个时段会相对变弱，观测数据上就是“凹下去”了。

正常情况下，一颗行星公转到进入恒星面时，观测到的恒星亮度就会变弱，这是“凌”。等行星逐渐转过来，它的一半被恒星照亮了，这个时候我们能看到恒星的亮度会有比较小的增加，等它彻底转出这个区域，观测光线就会变得最亮——中心恒星的光加上这个行星被照亮面的亮度，双部分“叠加”在了一起。等到行星绕到恒星后面那就是“掩”——恒星把行星掩住了，这时候观测到的恒星亮度也会有一点下降，但下降得没有凌的时候多……利用这样的规律，聪明的人类用望远镜观测系外行星就变得很简单了。

值得一提的是，这样的亮度变化也可能是其他原因引发的，比如恒星本身的原因，如果它的光变曲线是这样规则波动的话，那恒星周围有行星转的可能性更大。

上一节讲到的开普勒望远镜被发射到太空后，它实际上就在太阳轨道上运动了，被固定在一个方向上、在既定天区里工作，找这里的行星。但后来开普勒望远镜的一些部件坏了，无法再固定在一个位置拍，所以人们就索性让它围绕黄道，去找其他地方的变星和系外行星。

以这张图为例，这是开普勒望远镜当时拍摄的一块天区中发现的地外行星，不同颜色代表发现的不同时间。横坐标代表行星的表面温度，纵坐标代表行星的大小。绿色阴影内就是落在宜居带中的行星。如果哪颗行星上能有生命，那就只可能在这里面——与我们地球差不多的几颗里。

▲超级望远镜们观测到的行星，与地球条件相似的行星并不多。（图源：李昕供图）

说完了开普勒望远镜，我们再来看一下TESS。这个望远镜长得像卫星，实际上也是一个空间望远镜。它的轨道位置比较复杂，在地月这个系统中，有点靠近月球轨道。在这个位置上，它相对能比较稳定地对某些天区进行长时间的观测，再把全天拍一遍，在这里面找有哪些恒星的亮度发生了变化。

这张图是TESS在做巡天的时候拍到的图片，每一块实际上就是它拍的一块天区，它对每一块至少要拍30多天，30多天里不停地拍这个天区，然后查看这30天里所有行星的变化。大家可以看到，蓝色的地方是相对观测时间比较短的天区，越靠近两极的则是观测时间比较长的，通过长时间对一个区域的观测，我们就更有可能监测到恒星在更长周期里发生的更微小的变化。

▲TESS的视直径示意图。（图源：李昕供图）

TESS的优势很明显，首先，它一个单个镜头覆盖的天区面积是12度视直径。这相当于什么？以月球为例，月球的视直径为0.5度，换而言之，TESS一个镜头的视直径就是24个月球，加之TESS有4个这样的镜头，每个镜头都拍一个这样的区域，那它覆盖的天区就是24度×24度，大概500多平方度的这样一个区域——相当于猎户座的主要区域那么大。

星空之上的中国“眼”

对于地外文明的好奇是人类的共性，我们中国也对头顶上的星星感到好奇，但近代利用望远镜观测天体，中国相对于欧美地区是有些落后的。

在距北京直线距离120公里的河北省兴隆，有我们国家一个特别重要的天文观测基地——兴隆观测基地，这里有一个造型很奇特的望远镜“郭守敬望远镜”，即大视场的巡天光纤光谱望远镜（LAMOST）。它主径6米、副径4米，不仅视场大而且深空探测能力强。在郭守敬望远镜旁边还有个圆顶的远望镜，口径是2.16米。很长时间以来，它俩都是我们天文观测的主力。

▲郭守敬望远镜。（图源：李昕供图）

除此之外，我们还有一个500米口径的球面射电望远镜，简称FAST，它像一个大锅，其实是个天线，通过探测射电波段的辐射来探测宇宙。截至目前，FAST在国际上都算是独一无二的——到现在全球都没有提及这么大、分辨率这么高的单体射电望远镜，而FAST望远镜的重要工作之一就是探测地外文明。

之前说过，TESS能找到天空中的“可疑”行星，但疑似的系外行星样本那么多，该怎么区分呢？这就要交给地面上的望远镜来进一步观测“可疑分子”了。

可能很多人并不知道，在咱们国家西藏的阿里地区也有着非常好的观测条件，北京天文馆在阿里就建了一个50厘米口径的望远镜。虽然它的口径不太大，但这个望远镜处于海拔超过5000米的地方，直接就能拍到外面星空中的银河，大气条件非常适合观测。

监测星空其实有很多限制，首先要应对的就是天气变化，比如昼夜交替——因为白天没法观测；恒星从地平线上升起和落下的时间不甚了解；再者一些行星的公转周期特别长，比如水星绕太阳一圈要88天、地球要365天，那就需要我们连续观测88天、365天，不然很难发现端倪。但如果遇到公转一圈要12年的行星怎么办？这都是一个亟待解决的技术难题。

所以说，探索新文明并不是一件简单的事，而探索地外文明更是一件需要我们祖祖辈辈上下求索的浩大工程。

本文首发于“数字北京科学中心”微信公众号。内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂，每周邀请院士及专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学