人类探寻外星生命有多难？

仰望宇宙

繁星点点

深邃悠远

浩渺无边

每个人

仰望星空

不仅是思考人生

或许都会自问

哪里究竟有什么？

宇宙合成图(@NASA)

事实上

自人类诞生以来

对自然万物

总是充满好奇

正是好奇心的驱动

(@好奇心日报)

古代先哲们

开始仰望星空

撰写自然童话

叙述宇宙苍茫

(@维基图片)

注释：19世纪法国科普作家C.Flammarion 书中的木刻插图，旅行家从天球中探出头来，探索宇宙运行的机制。

探寻外星生命

无疑大海捞针

现代科学家

基于好奇心鞭策

开启一波波

探寻外星生命的进程

好奇号火星车(@NASA)

目前已走过两个阶段

①寻找系外行星

②探索行星环境

系外行星开普勒186f(@NASA)

注释：系外行星开普勒186f(Kepler-186f). 2014年4月17日，天文学家发现第一颗位于恒星宜居带、地球尺寸大小的行星。距离地球约492光年，由于目前科学认识有限，世人还不能直接查看。

01

如何寻找系外行星？

恒星光芒四射

行星暗淡无边

行星较于母恒星

光线极为微弱

很难同时检测两者

开普勒-11行星系统(Kepler-11)

(@NASA)

因此

极少系外行星

被直接观测到

人类

寻找外星生命

从探测系外行星入手

总是期望一睹为快

而系外行星光线微弱

这构成了一对不可调和的矛盾

世界最大天文望远镜

中国贵州平塘500米口径天文望远镜

(@TIME)

最初

天文学家

采取多种间接监测手段

探测太阳系外的行星

比如

①天体测量法

②径向速度法

③脉冲星计时法

④凌日法

⑤重力微透镜

⑥拱星盘

近来

随着科技进步

采用

⑦直接影像法

过去20年

寻找外星生命

经历了一股“淘金热”

发现了一系列系外行星

迄今为止科学家已经确定的系外行星

(@NASA)

1.1 天体测量法

简单来说

若有行星围绕恒星旋转

则行星的重力影响

将导致恒星本身

在小小的圆或椭圆轨道上移动

实际上

恒星和行星都在轨道上

绕着共同的

质量中心(质心)在运转

一般来说

恒星比行星重了许多

所以轨道会非常小

两者的质心位于恒星的半径内

最后采用干板摄影

确认系外行星

1.2 径向速度法

由于恒星环绕质心

轨道非常小

所以恒星环绕质心

速度非常小

若能观测到恒星速度变化

则可推断该恒星有行星绕转

天文学家

以地球为中心

借助现代光谱仪

可以检测出

低至1m/s的速度变化

通过检测恒星

朝向或远离地球速度变化

进而探测系外行星

Parkes射电望远镜

(@维基文件图片)

1.3 脉冲星计时法

脉冲星

是一颗中子星

密度超高、非常明亮

因为自身自转

而发出有规律的辐射

脉冲星PSR 1257+12的行星系统想象图

(@NASA)

天文学家

以脉冲星的脉冲时间为基础

可以计算并推导出轨道参数

因此

脉冲星

类似于上述恒星

如果有行星绕转

也会在小轨道上存在异常

进而发出的地波辐射出现异常

1.4 凌日法

一颗行星

从母恒星前经过时

会导致恒星的视觉亮度略降

木星及其3颗卫星划过太阳表面

(@维基文件图片)

母恒星变暗的程度

取决于行星相对恒星的大小

天文学家

运用高分光度计

检测系外行星的存在与否

该方法的虚假率较高

需要结合径向速度法复检

1.5 重力微透镜

需要借助大量的恒星

一颗为前景、一颗为背景

前景恒星的引力场类似于透镜

能将遥远的背景恒星光线放大

发生了重力微透镜作用

若前景恒星拥有行星

则可探测到行星

在引力场中贡献值

这种方法

基于网络

连接世界各地

机器人望远镜

执行探测任务

天文望远镜矩阵(@NASA)

1.6 拱星盘

许多恒星

都有盘状的尘埃

（岩屑盘）环绕着

(@NOVA)

这些尘粒

会吸收恒星原来的星光

再以红外线辐射出来

运用红外望远镜可以检测

进而推测可能存在的行星

1.7 直接影像法

主要包括两种方法

①日冕仪法

日冕仪

本是研究太阳日冕和日珥

太阳风暴及日冕

(@维基文件图片)

众多周知

太阳光线极强

一般很难观测到

相对较暗的日冕

但在日全蚀

月亮挡住太阳大部分的面积

可观测周围黯淡

日冕及色球层

李奥型日冕仪图解

(@OSA)

科学家

借助先进的技术

制作星际日冕仪

遮挡恒星的强光

观测周围暗淡天体

太空望远镜及遮光器想象图

(@NASA)

欧洲南方天文台

观测到距地球63.4光年

绘架座β(Beta Pictoris)恒星系统

绘架座β(Beta Pictoris)恒星想象图

（@NASA）

海尔望远镜

1.5米涡状日冕仪

直接拍摄到

环绕HR 8799的系外行星照片.

(@NASA)

②消零干涉测量

天文学家

借助于望远镜阵列

消除干涉影响

可以直接观测系外行星

昴星团望远镜的仪器HiCIAO

拍摄到照片

(@维基图片)

目前

借助于上述观测方法

已取得累累硕果

开普勒确认的1030颗行星中

有十几颗不到地球大小的两倍

居住在主星的宜居区内

(@NASA)

02

探索行星环境‍

由于系外行星距离遥远

宇宙飞船亦无法抵达

科学家

构思一系列科学方法

确定具体那些系外行星

是适合生命生存的？

DSCOVR从拉格朗日点1研究地球

(@维基图片)

美国航天局

加州大学河滨分校

科罗拉多大学博尔德分校

三家机构开启了

地球科学

行星科学

天体物理学

跨学科寻找外星生命之旅

(@NASA)

太阳系八大行星

及倾斜的行星轴

是研究系外行星的天然实验室

通过太阳系

研究其宜居区环境

验证系外行星模型

开普勒-62恒星系与太阳系对比示意图

(@NASA)

研究太阳系宜居空间

探索系外恒星系统宜居区

注释：系外行星位于恒星的宜居区里，并不一定意味着是可居住的，还需要其他苛刻的宜居条件，比如是否有水的存在。

首 先

查明太阳的电磁辐射

探索系外恒星

与行星的空间环境

(@NASA)

注释：科学家首先需要考虑恒星与系外行星的电磁环境，恒星电磁辐射对其行星有重大的影响。

比如

对比太阳辐射下

金星(无磁场)和地球(有磁场)

空间环境效应

(@NASA)

注释：火星(左)和地球(右)，地球的磁场保护大气层免受太阳电磁风暴的影响。

对比地球和金星环境

开发区分系外行星系统

“地球”和“金星”的方法

(@NASA)

注释：太阳系中地球（右）和金星（左）的距离如此接近，而且在可居住的前景方面又有如此不同，开展对比研究，确定潜在宜居类地行星的方法。

其 次

远程研究地球大气成分

探索研究系外行星大气的方法

进而寻找可能存在的生物印记

再 次

针对金星

开展电磁辐射下

金星大气环境研究

(@NASA)

发射探测器

登陆金星地表

探测类地行星表层大气环境

(@NASA)

注释：金星表面平均温度达462度，充满硫酸的大气压强极高，是地球气压的93倍。

还需要

设计了一个三维可视化

系外恒星与行星的大气模型

研究行星的重力和磁场

能否保持大气存在

(@NASA)

研究

驱动电离层逃逸的三因素

恒星辐射、大气的温度

发生逃逸的地区的极地大小

进一步

研究红矮星极端辐射下

系外行星离子逃逸特征

最 后

能找到一个“水货”

那是理想结果

(@thinklink)

宇宙茫茫

寻找系外行星

难

寻找外星生命

更难

寻找高级生命

难上加难

(@Modern Notion)

正是

好奇心

激励他们

开疆辟土

探索宇宙星空

试问

我们对这个世界

还有多少好奇心？

主要参考文献：

1. Wikipedia, Methods of detecting exoplanets.

2. NASA, 2017/12/13, Spanning Disciplines to Search for Life Beyond Earth.