微型太空望远镜有望加速搜寻“比邻星地球”[视频]

一部新影片展示了一个创新计划,旨在拍摄我们太阳系最近的恒星邻居——半人马座α星周围可能存在可居住行星的图像

一部新的短纪录片重点介绍了天文学家们努力建造小型、低成本的太空望远镜,以搜寻半人马座α星(我们太阳系最近的恒星邻居)周围的可居住行星。

推测性电影公司

寻找系外行星(即围绕太阳以外的恒星运行的行星)一直是天文学中一个蓬勃发展的分支,已经有 20 多年的历史了。天文学家利用地面天文台以及美国宇航局的开普勒行星探测任务等太空望远镜,发现了数千个世界,它们的尺寸和轨道范围广泛,围绕着各种各样的恒星运行,并且有望在未来几年内发现成千上万甚至数十万个行星。然而,一个关键问题仍然悬而未决:统计数据显示,银河系中应该存在数十亿颗潜在可居住、潜在类似地球的行星,那么“比邻星地球”——最近的一颗——究竟有多远呢?

美国宇航局艾姆斯研究中心的两位科学家鲁斯兰·别利科夫和爱德华多·本德克认为,我们可能不需要看得太远,只要看看 4.4 光年外的双类太阳恒星半人马座α星 A 和 B 就足够了。他们根据当前已知的行星数量推断每颗恒星的行星分布情况,认为大约一半的类太阳恒星可能在不太热、不太冷的“可居住带”中拥有岩石行星,那里可能存在液态水,从而也可能存在我们所知的生命。假设这种 50% 的概率不仅适用于单颗太阳,也适用于双星系统中的两个成员,那么半人马座α星就大约有 75% 的机会存在一颗潜在可居住的行星。


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寻找比邻星地球,来自推测性电影公司

别利科夫和本德克的信念背后无疑有一些美好的愿望。目前还没有人知道我们星系中可居住行星的实际数量,甚至不知道如何最好地定义“可居住性”。一些研究人员认为,行星在双星周围形成的可行路径较少,这意味着半人马座α星周围的世界的概率远低于乐观估计所显示的。但我们知道一点是真的——该星系是我们最近的邻居,因此在宇宙尺度上相对较近,那里的任何有希望的系外行星都应该比宇宙中所有其他行星更容易被仔细检查,以寻找可居住性和生命的迹象。

这些研究的一个主要步骤是拍摄行星的照片——用天文学家的术语来说是“直接成像”,它可以揭示行星大气层和表面的其他方法无法获取的细节。拍摄另一颗地球的照片(其亮度将比其外星太阳暗数十亿倍)通常被认为是一项耗资数十亿美元的努力,需要一个大型且高度先进的太空望远镜,其计划和建造需要数十年时间。但对于半人马座α星——而且只有半人马座α星,因为没有其他类太阳恒星像它一样在天空中如此接近且明亮——别利科夫和本德克表示,这项壮举可以使用一个可以放在咖啡桌上的小型太空望远镜来完成,而且成本如此适中,以至于可以在本十年结束前发射。

别利科夫说:“这个想法代表了天体物理学任务的传统方式的范式转变。”美国宇航局和其他航天机构发射的大多数天文台都是旨在进行广泛调查的多用途平台,之前的行星探测任务也不例外,它们倾向于观测小块天空密集分布的许多遥远恒星,而不是专注于我们太阳系最近、最亮的邻近恒星。下一代任务——美国和欧洲的太空望远镜,如TESSCHEOPSPLATO——将更多地关注我们的邻居,但仍将优先调查大量星系,而不是深入观察少数星系。除此之外,美国宇航局的官方时间表甚至将更大胆的任务延迟到最早到 2030 年代,以拍摄潜在可居住行星的图像。建造一个大幅缩小尺寸的行星成像望远镜来专注于单个最佳恒星系统,可以补充并加速这些具有远见的计划。

本德克说:“一旦你离开半人马座α星,拍摄恒星宜居带中行星所需的望远镜尺寸就会迅速增加。”一个镜面直径为一米的望远镜将有足够的光收集能力来有效地探测十几个恒星,而一个四米长的仪器可能会检查一百个,一个八米长的仪器可能会调查一千个。别利科夫和本德克的设计需要一个直径仅为 30 厘米的镜面。该望远镜与一种称为日冕仪的仪器(一系列透镜、可变形镜面和不透明遮罩,用于滤除恒星的大部分光线)配合使用,就可以揭示潜伏在我们最近的恒星系统中的任何比恒星暗数十亿倍的行星。

两人于 2014 年正式向美国宇航局提出了这样的任务,但该机构没有通过这个投机性的、重点狭窄的项目。与此同时,其他人已经将探索半人马座α星作为优先事项。最近宣布的突破摄星计划计划在下一代人中向那里发射由激光推进的航天器编队,而具有影响力的德克萨斯州众议员约翰·卡尔伯森(共和党)则呼吁美国宇航局开发星际推进方法,以便在 2069 年(首次阿波罗登月一百周年)之前发射自己的半人马座任务。

现在,一个名为“半人马座任务”的非营利组织正试图通过私人资金使别利科夫和本德克以半人马座为中心的望远镜成为现实,从而为这些项目提供一个更合适的行星目的地。该组织是一部新短纪录片的主题,该纪录片由推测性电影公司的布雷特·马蒂和约书亚·艾森伯格联合制作和导演,其中包括对别利科夫、本德克以及美国宇航局开普勒任务的比尔·博鲁基和杰克·利萨尔以及搜寻地外文明计划研究所的比尔·戴蒙德等天体生物学名人的采访。马蒂说:“我们希望让半人马座α星对观众来说是一个非常具体的东西,在夜空中展示它,并让这项探索感觉真实。如果你住在南半球,半人马座α星是天空中最明亮、最容易辨认的恒星之一。但如果你住在北半球,你就永远看不到它。”为了捕捉半人马座α星周围行星的探索过程,马蒂和艾森伯格还在智利北部的阿塔卡玛沙漠花费了数周时间,捕捉该恒星系统在南方夜空中旋转的延时镜头,从活火山流出的熔岩上空升起,并笼罩在欧洲南方天文台最强大的行星探测望远镜之上。

马蒂说:“当我们发现比邻星地球——第一颗真正拥有水和大气层的类地行星时,我认为这对人类来说将是一场地震。” “这有可能从根本上改变我们作为一个文明和个体在宇宙中看待自己的方式……如果第一批人类在 200 年后踏上附近恒星系统中的一颗行星,那么这个故事将从我们开始。我认为这非常强大。”

即使半人马座α星确实拥有一颗或多颗类地行星,“半人马座任务”的成功也远未得到保证。该组织董事会主席佩德罗·戈多伊拒绝透露目前的筹款目标,但表示该项目的预算“不到中型天体物理学任务的 10%”。美国宇航局的中型探索者任务的预算在 1.8 亿美元至 2 亿美元之间,这表明“半人马座任务”的成本将低于 2000 万美元。他说,该组织已经资助了缩小望远镜日冕仪关键组件的工作,并赞助了软件算法的开发,以确保日冕仪能够同时消除半人马座α星 A 和 B 的光线——这是拍摄任何一颗恒星周围行星的关键能力。来自私人机构的更多资金以及与美国宇航局或其他公共科学机构的潜在合作,可能会让“半人马座任务”在几年内使用 SpaceX 或其他低成本发射供应商的火箭建造并发射其望远镜。

别利科夫和本德克说,尽管专门为半人马座α星建造太空望远镜可能存在风险,但继续忽视太阳系最近邻居的潜力并避免追求更加灵活和负担得起的太空任务的新时代,风险会更大。“我们现在对数百或数千光年外的数千颗行星和行星候选者了解了各种各样的事情,但我们对我们隔壁的恒星几乎一无所知,”别利科夫说。“我认为这需要改变。”

Lee Billings is a science journalist specializing in astronomy, physics, planetary science, and spaceflight, and is a senior editor at 大众科学. He is the author of a critically acclaimed book, Five Billion Years of Solitude: the Search for Life Among the Stars, which in 2014 won a Science Communication Award from the American Institute of Physics. In addition to his work for 大众科学, Billings's writing has appeared in the New York Times, the Wall Street Journal, the Boston Globe, Wired, New Scientist, Popular Science, and many other publications. A dynamic public speaker, Billings has given invited talks for NASA's Jet Propulsion Laboratory and Google, and has served as M.C. for events held by National Geographic, the Breakthrough Prize Foundation, Pioneer Works, and various other organizations.

Billings joined 大众科学 in 2014, and previously worked as a staff editor at SEED magazine. He holds a B.A. in journalism from the University of Minnesota.

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