康奈尔大学物理教授赖东：我们希望找到系外生命

在2017未来科学大奖颁奖典礼暨未来论坛年会的天体物理研讨会上，康奈尔大学天体物理教授赖东发表了主题演讲《奇异系外行星》。在演讲中，赖东介绍了寻找系外生命的最新进展。

他介绍，目前已经发现了3000多个太阳系的系外行星。根据现有的观察，20%的像太阳的那些恒星，都拥有着存在生命的可能性，比如说有20%的像太阳这样的恒星都有可能像地球这样的大小的行星居住的可能性。接下来十年到二十年，天文学家们有计划去研究这些行星的大气环境，去寻找生命信号。在这个过程中，还有一些难题需要解决。（温泉）

以下为演讲速记：

主持人：感谢季向东先生的精彩演讲，我们有请赖东先生做主旨演讲。

赖东：很高兴跟大家讲一下地外行星的最新进展，我们首先回顾一下我们太阳系的情况，大家很熟悉我们非常热爱的太阳系，地球绕着太阳转，一个单位，这个水星、冥王星等等。冥王星不是行星，是40个AU，这是我们的太阳系，当然大家可能知道如今天文学家不再考虑冥王星了。之所以大家不考虑，是因为过去十年中，我们已经了解到有很多行星，他们围绕着太阳的距离是比较接近的。有几百个，几千个。因为太小了。太阳系有三十个AU，有的行星离它有四十个AU，除了这一点来看我们看到很多的行星，这是我们今天了解的情况。

现在情况有一些变化，两年前发现了一个变化，两个天文学家写了一篇文章，有证据表明有另外一颗非常大的太阳系里的行星，这个九号行星，他们积累了一些证据。很可能是一个新的行星，但是非常的遥远，这样一颗行星是地球的十倍大。是七百个AU，非常非常遥远。因为太阳转的周期是两万年，非常非常远的一颗内地行星，我们得出什么结论呢，刚刚我说过了，有很多的行星在整个天文系中，有一点像冥王星，有一些轨道椭圆。如果你看到数据的话可以看一下这个周期。

七八个非常多元性的，都是往一个方向，如果想一想随机的椭圆，这个方向肯定是圆的，并不是全部放在一个方向，这是七八个椭圆轨道都是往一个方向靠，很奇怪，相当于一个牧羊人赶羊，把羊赶到一个圈里。我们解决这个问题呢？可能会有另外一个非常非常大的行星在另外一个方向运行，通过他的引力可以把其他的小行星的轨道变成同一个方向，是不是真的存在呢？只是一些假说当然也积累了一些证据，我们还不能完全的有把握。太阳系第九颗行星有大概十个地球大，七百个AU，我已经说过了。现在很多大的望远镜，在太阳系内这是一个非常新的行星，如果真的存在的话会是一个非常大的发现。

下面我们看一下太阳系之外的情况。系外行星的情况。在过去二十年当中我们可以看一下，二十年以前我们基本上不知道有任何一个，所有的都在太阳系围着太阳转，二十年前基本上没有，二十年后，今天我们发现了三千多个行星，最近确认的，是在太阳系之外。此外，还有两千颗侯选行星，他是可能存在的行星，还需要进一步的证据来研究。

所以，现在我们知道在太阳系里面有很多的行星。这些发现有两种方法，我们怎么样观测，怎么样发现这些，因为行星非常弱，非常的暗，很难直接观测，基本看不到，非常暗，非常远，怎么发现呢？有两种方法，第一个是多普勒方法，这种方法怎么运行呢？恒星也在运行，行星和恒星都在运行，有引力的作用。那我们看不到这个行星，行星是看不到的，因为太暗，但是我们可以看到它的主星，很亮。我们都知道有多普勒效应，多普勒就是，如果离你近的话会变得更加蓝一点，远离你的时候。如果你有一个非常，有强大的观测的工具可以发现它有非常微小的位置变化，另外有瞬间的变化，有恒星，有行星围绕着他转。这是轨道，和你的视线方向一样，这样的话就是把光遮掉一些。十的负四次方，负五次方，我们必须做出非常精准的一个测量和探测。因为他的摆动幅度非常小，这是另外的方法。在过去五到八年，是非常成功的，在美国的宇航局运用得非常多，太空当中可以来进行很好的探测。这是两种基本的方法，是大家使用的，用来探测过去的行星探测。现在我们知道我们可以在太阳系里还没有对更多的恒星进行探测，但是我们知道在过去的几年当中有最新的发现，在银河系当中，每一颗恒星都能对行星，每颗恒星至少能对应一颗行星环绕，整个银河系的行星非常多，因此银河系里面的行星非常之多。

为什么重视所谓的星外行星呢？大概是10个光年，很远，我们很难到那个地方去，但是有两个原因，我们为什么要重视这个系外行星，一个原因是宇宙生命，我们很感兴趣。这是我们每个人都非常感兴趣的问题。我们是不是唯一的生命存在？根据我们现有的观察，我们知道20%的像太阳的那些恒星，都拥有着可能性，比如说我们有20%的像太阳这样的恒星都有可能像地球这样的大小的行星居住的可能性。大概一倍到两倍之间，和地球大小差不多。

可能居住的也就是说，这些距离实际上跟它的宿主星非常的合适。太近的话这个表面温度不能太高，距离太远的话就会太冷，如果是潜在的居住点的话，必须是正确的主星，正确的距离，必须还有潜在的合适的温度。具有潜在的可能性，20%的太阳这样的恒星都有居住的可能性，大家要问一个问题，我们是不是在这个星球上真的有生命呢，这是非常重要的问题。可能居住的行星是不是有生命呢，如果有的话是什么类型的生命呢，是非常原始还是说高级文明。这些都是非常重要的问题，我们知道这是非常复杂的一个问题，还有很多的生物学家都在探索它的生命起源，这是一个很难回答的问题。但是我们有这样的计划，包括天文学家也有这样的计划，接下来十年到二十年，他们有计划去研究这些行星的大气环境，去寻找这样的生命信号。这个行星大气表面是不是有特别奇怪的生物的迹象和分子，可能会指征有生命。化学的品种会有一些气体会因为生命的有机体所造成的，包括了氨气甲烷等等，实际上这些有可能会指明在这样一个行星上面有生命。当然了，如果当我们有这种类型的臭氧层的时候，一样不能保证是不是有生命，比如说是什么类型的生命，这些都是我们会持续的，在未来几十年当中去探索的，而同时，我们还非常感兴趣的是希望能够有非常先进的文明，这已经在美国和世界个地都有了非常多年的变化了，寻求这种进步，而且在过去的几十年都是如此的。基本上我们所使用的是不同的射电望远镜来寻求一些射电信号，他们是来自于外太空的不同地方，从而希望能够去找到一些有智慧的生命中发出的信号，而这样一个利用全球互联网的计算机共同搜寻地外文明计划的项目，实际上也获得了非常多的融资，他们希望能够通过这种射电望远镜来进一步的搜寻可能的，来自于外太空的智慧生命的信号。中国的这个FAST是五百米口径的射电望远镜，这个方面可以去寻找一些设点信号，也是来自于外太空的智慧生命，我们希望在接下来几年当中能够继续给我们带来结果，接下来给大家解释另外一个原因，为什么我们关注系外行星的探测，非常具有吸引力，但是究竟能不能发现生命，也许明天就发现了，也许很长时间。可能很久才能够发现，所以实际上在天体物理的研究中，我们会能有新的视觉，所以知道这些行星行进过程的回答，我们的太阳系是否是唯一的。像天体物理的推动研究中子星闭合的过程，宇宙大爆炸，这都是离我们非常遥远，我们无法做试验，也不能产生任何经济利益。

为什么要研究这些事情呢？主要是因为我们希望知道到底宇宙是怎么样运行的，宇宙的方方面面又是如何相关的，这是我们另外一个需要研究的，接下来我给大家举一些例子，比如说这里有三千多个已经被检测到和确认的行星，这张图上大家可以看到行星的质量，这是纵轴所显现出来的，横轴上所展现出来的是和主星的距离，也是AU这个天文单位来进行计算的，一个AU就是地球与太阳之间的距离，大家可以看到它有非常多的质量的可能性，或者是10的负20次方左右的地球的质量，0.01个AU到一百个AU，所以它跟太阳之间的距离有非常大的范围，红色的距离，大概是0.1个AU，有非常多的这种超级内地行星，所以银河系当中就能看到这样的状态，我们到底学了什么，并且能够从这样的系外行星当中能够看到什么样的惊喜，以及天文物理学的角度我们了解了多少，第一个是我刚刚讲到的，有非常多的系外行星，非常短的公转周期。0.01，0.02，0.03的AU，是两天，三天的距离，相比之下地球绕着太阳转是一年的时间，365天的时间，这些行星本身的转周期是几天时间，非常近。所以很让人吃惊，我们的这些行星是怎么样形成的，就是一个很大的问题，再给大家举一个例子，这是紧凑型的，由凯普勒所发现的系统，大家可以看到水星、木星等等，相对来说凯普勒之一的体系他们非常的近来，离恒星近得多，基本上这样一个紧凑的距离下，而且很多的这些都是超级类地行星的紧凑的体系，他们怎么形成的，是一个很大的问题，我们并不预计有这样的系统体系是可以形式的，但是它们却存在，我们发现了，他们是怎么样形成的呢，我们是怎么样思考的呢，通常来讲我们认为对于这样的行星的形成是巨行星，在圆行星盘和在他的周围，圆行星周围有气体和尘埃，他们实际上跟这些恒星就有很大的距离了，这样的话这些星盘就足够冷的温度，从而让他们更加有密度，这样的话对于这些比较紧凑的体系和公转周期短的。然后开始迁移，漂移，然后可以通过跟气之间的拉力来进行，然后再牵引到小距离的这样一个体系，这是有可能发生的，但是它的难题在于必须要停止这样的漂移，如果说他们漂移的话会越来越快最后被太阳系吞食，所以必须要停止它漂移，怎么样停止漂移是一个大难题。另外一个难题，很多的这些刚才的介绍都是椭圆形的轨道，跟太阳系非常不一样，太阳系是圆形的，非常清楚，非常干净的轨道，但是对外系外星系都是拉长的，椭圆形的轨道，这是怎么造成的，也是一个难题，再跟大家说另外一个难题，因为太阳系当中所有的行星实际上都是在平面上，一个方向上运转，太阳实际上也会是自转，并且按照公转的方向运转，但是对于系外行星是非常奇怪的形状和几何，他们的轨道是一个方向，但是恒星的自转方向完全不一样，甚至是反方向，这就是看到他们的自转和公转上的座位，这是非常大的难题，非常不合我们的平常的了解，我们跟大家提另外一个例子，过去的五到十年之前所发现的，我们看到两个星实际上这是需要两颗横星，双星系统，我们发现它是存在的，并且现在有12，13个双星系统他们都是行星绕着两颗恒星来运转，这样的体系是怎么样运转的呢，我们非常的头疼，实际上离他的这个距离是很近的，如果把恒星甚至是放得近一点，就不会存在了，他们会直接的消失掉，是不会稳定的，这样的行星存在，基本上是微乎其微的可能性存在在那里的，但是存在，所以让我们非常的头疼，我们希望知道它是怎么样形成的，而且我们可以做仿真和去做一些相关的一些思考，所以我就因为时间关系先讲到这里，最近对于我们的恒星，希望对他们有新的发现，海鸥天文学历希望在未来的几十年要做的事情，我们还有很多要去理解的难题，当然了，长期来讲我们希望找到生命甚至是可能在系外行星找到生命，谢谢。