天文学家研制恒星罩:遮挡星光探索外星生命

2015年11月23日 08:15 新浪科技 微博
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为了探索宇宙中的类地行星及行星上的生命迹象,美国宇航局科学家计划研制一种被称为“恒星罩”的奇特装置。

这是在地面展开来的用以支撑“恒星罩”的部件结构。这是在地面展开来的用以支撑“恒星罩”的部件结构。
在“恒星罩”测试中,遥远星光的明晃刺眼,这显示对恒星附近状况进行细致入微的观测非常不易。在“恒星罩”测试中,遥远星光的明晃刺眼,这显示对恒星附近状况进行细致入微的观测非常不易。

  新浪科技讯 北京时间11月23日消息,据国外媒体报道,为了探索宇宙中的类地行星及行星上的生命迹象,美国宇航局科学家计划研制一种被称为“恒星罩”的奇特装置。这个花形奇特装置像一顶巨型深空太阳伞,一旦与太空望远镜一同发射升空抵达深空预定位置就会自动伸展打开,阻断来自恒星的光线,以利太空望远镜对恒星周围光线微弱的行星进行观测探索。目前“恒星罩”尚处于试验阶段,如果项目资金充足并能良好推进,美国宇航局预计将于2026年发射升空“恒星罩”。

  寻找外星生命已不再是小报素材了。在过去的数年中,天文学家通过不断的探索,在太阳系外发现了成千上万颗行星,这意味着整个宇宙都充斥着星球世界——每颗恒星平均至少有一颗行星。既然在浩瀚的宇宙中存在着如此繁多的行星,那么这些行星中很可能会有外星生命。天文学家甚至猜想,宇宙中是否还存在一颗跟地球一样的“孪生”行星。这么一想起来,搜寻外星生命就变成令人心旌荡漾且充满向往的科学之旅了。美国宇航局太阳系外行星探测计划分析小组首席科学家尼克-西格勒宣称:“如今,我们不再问‘太阳系外存在行星吗?’,而是要问‘这些系外行星上存在生命吗?’这是美国宇航局科学探索理念的一个重大转变,它意味着科学家将致力于搜索系外行星上的生命迹象,以及行星科学世界中可能发生的事情。”

测试“恒星罩”比最终版本小很多,科学家用它在沙漠中进行技术试验。测试“恒星罩”比最终版本小很多,科学家用它在沙漠中进行技术试验。

  然而,这些系外行星距离我们数百万英里远。问题来了,如何观测这些行星并探测生命迹象,特别是如果它们还不是智慧生命呢?上周,英国广播公司“背后的天才”系列节目讲述了这样一个故事:科学家萨拉-西格尔致力于在另一颗地球上寻找生命的迹象。故事中,科学家西格尔笃定认为,寻找外星生命迹象的关键在于细致观测、认真梳理外星世界的大气。为了实现科学梦想,西格尔等研究人员使用一个被称为“恒星罩”的奇特花形装置。这个奇特装置像一顶巨型太空阳伞,可以阻断来自恒星的光线,以利望远镜规避恒星射线,深空探测绕轨道运行的行星,以期发现外星生命迹象。目前就职于麻省理工学院的西格尔表示:“如果我们想在不久的将来,比方说十年或二十年后,发现一个地球真正的孪生行星,就必须制造出这样一个‘恒星罩’。我们之所以要这么做,是因为类似太阳的恒星比地球大小的行星要明亮100亿倍,窥测到诸如微生物形态生命信号的唯一希望就是:阻断来自恒星的强烈光线,以便天文望远镜直接对深空中的行星进行观测。”

  这一策略与天文学家迄今为止发现并研究行星的主要手段有着本质的区别。由于行星距离遥远,体积较小且光芒微弱,天文学家对绝大多数行星的探测都是间接的,例如探测当行星从恒星前面通过时星光的减弱,或者测量当行星引力发生拖拽时恒星的不稳定情况。但是,寻找外星生命需要一种全新的策略手段。科学家希望鉴别出行星大气中的气体成分,探测其中能证实生命存在的化学物质,例如占地球大气20%的氧气。西格尔指出:“没有生命,如植物或光合细菌,我们就不可能拥有氧气,可以说氧气是最有前景的生物特征之一。既然地球上的生命能产生各种气体,那么外星生命或许能产生更为复杂多样的气体。目前,我们所面临的挑战是,如何确定这些化学物质是否为生物起源物。”尽管迄今为止还没有人发现过外星生命迹象,但是天文学家已能敏锐地嗅出一些行星大气。当行星从恒星前面通过时,星光穿透包裹行星的气体层,大气分子会因其所含化学物质的不同,而吸收不同波长的光。通过测量这些被吸收的光波长,天文学家能够确定大气中的气体成分。

在沙漠试验中,科学家对恒星进行模拟,并利用这项技术看到远处的一小束光。在沙漠试验中,科学家对恒星进行模拟,并利用这项技术看到远处的一小束光。

  计划于2018年发射升空的“詹姆斯-韦伯”大型太空望远镜将利用这种技术解决大气化学成分问题,甚至还能探测到生物特征。然而,该探测手段仅适应于诸如M矮星这种小型恒星周围的行星系统,不适应类似太阳这种大型恒星周围的行星系统。鉴于这一问题,西格尔等天文学家就需要制做真正的“恒星罩”。“恒星罩”与太空望远镜一同发射升空,一旦抵达深空中的预定位置,它就会自动打开,伸展开后直径达34米。“恒星罩”的花瓣成像剃刀一样锋利,能够清除衍射效应,即光波遇到罩的边缘后发生不同程度的弯散传播。之后“恒星罩”与太空望远镜分离,间距大约为5万公里。

  要做到这些,实属不易。尽管如此,研究人员还是决定将这一理念付诸实践,在沙漠中进行试验,使用一盏灯、一个模型恒星罩和一台照相机。作为“恒星罩”项目的主要负责人,普林斯顿大学科学家杰瑞姆-卡斯汀利用迷你模型进行了多次实验室测试:设备伸展范围达78米,其中“恒星罩”宽仅5厘米。如果该项目资金充足并能良好推进,美国宇航局将于2026年发射升空“恒星罩”。卡斯汀表示:“目前,我们在完成‘恒星罩’任务中未发现任何技术障碍,因此它有望于2020年左右发射升空。”不过,“恒星罩”并非唯一阻断星光的手段,它或许会与广域红外线巡天望远镜一同发射。广域红外线巡天望远镜是新一代太空望远镜,搭载有日冕观测仪,可从望远镜内部阻断星光。西尔格解释说:“我们需要多种探测手段,以防其中一个失灵。”

科学家模拟“恒星罩”在数百万英里外观测太阳系的情形。科学家模拟“恒星罩”在数百万英里外观测太阳系的情形。

  日冕观测仪是一种试验测试技术,最初研发于20世纪30年代,被用来研究太阳外层被称为“日冕”的部分,也有可能发现地球的孪生行星。不过,西格尔表示这项技术还不成熟。日冕观测仪是一项复杂设备,脆弱易碎,易受太阳高热以及望远镜反应轮震动的影响。一旦望远镜失衡,零散的星光就会进入照相机设备,导致观测失败。虽然变形反射镜可以抵消光线变形,但是现有的观测系统无法在一片星光中找到地球大小的行星。然而,在“恒星罩”帮助下,望远镜就不会再接触到星光。这样一来,科学家就可以选择使用相对简单的小型望远镜,它们价格更低廉且易于制造。又或许,“恒星罩”将不需要其自身的望远镜,而可以依赖广域红外线巡天望远镜工作。

  如此一来,科学家搜寻地球孪生行星的行动计划就要开始升温。卡斯汀说:“搜寻探索与地球类似大小的行星具有重大的科学意义,不过我们的最终目标还是找到类地行星。”如果真有那么一天,人类就能解开类地行星是否宜居之谜,而“恒星罩”将功不可没。(彬彬)

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