太空望遠(yuǎn)鏡越來(lái)越先進(jìn) 找到新地球只是時(shí)間問(wèn)題

和《質(zhì)量效應(yīng)：仙女座》游戲中人物的使命相同，現(xiàn)在科學(xué)家們也一直努力為人類尋找新的家園。好消息是，隨著太空望遠(yuǎn)鏡技術(shù)不斷進(jìn)步，人類找到地球2.0只是時(shí)間問(wèn)題。

2017年9月初，研究人員利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，TRAPPIST-1星系周圍7顆行星的表面可能存在水。TRAPPIST-1是今年早些時(shí)候發(fā)現(xiàn)的一顆表面溫度極低的紅矮星，大小與木星相似。

TRAPPIST-1位于水瓶座方向，距離地球40億光年（長(zhǎng)度單位，為9460730472580800米），算是我們的鄰居了。天文學(xué)家是如何知道其周圍的行星表面存在水的?太空望遠(yuǎn)鏡能披露“其他地球”的更多信息嗎?

系外行星

TRAPPIST-1周圍的這7顆行星是利用中天法發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)系外行星穿越能在望遠(yuǎn)鏡中觀測(cè)到的一顆恒星時(shí)，恒星亮度會(huì)略有降低。望遠(yuǎn)鏡記錄到的光信號(hào)可以用來(lái)計(jì)算行星的質(zhì)量和半徑。這屬于光譜學(xué)范圍，哈勃、斯必澤和開(kāi)普勒等功能強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡，能觀察到系外行星穿過(guò)從紫外到紅外在內(nèi)的各種波長(zhǎng)的波的情況。

有關(guān)TRAPPIST-1的最新發(fā)現(xiàn)，是通過(guò)探測(cè)紫外線實(shí)現(xiàn)的。高于一定強(qiáng)度的紫外線能破壞水分子。研究人員發(fā)現(xiàn)，由于紫外線強(qiáng)度高，內(nèi)行星可能失去所有水分;外行星紫外線強(qiáng)度低，而且都位于宜居帶內(nèi)，因此存在河流和海洋。

X射線強(qiáng)度

大學(xué)物理系教授彼得·惠特利（Peter Wheatley）表示，“我們現(xiàn)在能對(duì)與地球大小相當(dāng)?shù)男行堑沫h(huán)境進(jìn)行研究，這是令人激動(dòng)的。我們的研究結(jié)果表明，盡管存在相對(duì)強(qiáng)烈的紫外線和X射線，TRAPPIST-1星系內(nèi)存在水，甚至是生命。”

雖然哈勃等太空望遠(yuǎn)鏡取得了巨大成功，大量在地面建設(shè)的望遠(yuǎn)鏡被用來(lái)印證太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)。

值得指出的是，部分TRAPPIST-1系外行星上存在水的結(jié)論，依賴于大量假設(shè)。為了有效地研究系外行星，天文學(xué)家需要功能更強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡。幸運(yùn)的是，明年將有一臺(tái)功能更強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡升空。

新哈勃?

運(yùn)行27年后，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡將不再是人類觀察宇宙視力最好的眼睛。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡大小是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的2倍，將于2018年10月從歐洲航天局位于法屬圭亞那的發(fā)射中心發(fā)射升空。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡不是繞地球運(yùn)行，而是繞太陽(yáng)運(yùn)行，在距離地球93萬(wàn)英里（約150萬(wàn)公里）處的拉格朗日L2點(diǎn)時(shí)能獲得宇宙最清晰的圖像。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡利用令人震驚的22米遮陽(yáng)板和鍍有黃金的鈹反射鏡——展開(kāi)后達(dá)6.5米，是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的3倍——探測(cè)來(lái)自宇宙最深遠(yuǎn)處的紅外線，以更好地了解宇宙大爆炸。

它還將測(cè)量紅外線，探測(cè)圍繞遙遠(yuǎn)恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星大氣成分。其多個(gè)攝像頭的能力也比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡要強(qiáng)大得多。不過(guò)，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡距離地球太遠(yuǎn)，一旦出問(wèn)題后無(wú)法進(jìn)行維修。1993年，美國(guó)航天飛機(jī)航天員曾對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行維修。

如果一切正常，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將永久性地改變天文學(xué)，天文學(xué)家將首次能“近距離”地觀察TRAPPIST-1星系的行星。

比詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡更強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)在規(guī)劃中。WFIRST太空望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃2025年發(fā)射升空，主要用于研究暗物質(zhì)和暗能量，但也能用來(lái)研究系外行星的大氣層。

能力更強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡

太空望遠(yuǎn)鏡通常根據(jù)反射鏡大小分級(jí)。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡反射鏡大小是2.4米，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡反射鏡大小是6.5米。那么，我們?yōu)槭裁床唤ㄔ旄蟮奶胀h(yuǎn)鏡，研究系外行星是否有生命存在呢?

天文學(xué)家已經(jīng)在這樣做了，LUVOIR（大型紫外線和紅外線勘測(cè)器）項(xiàng)目就是這樣一項(xiàng)計(jì)劃。與詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡一樣，LUVOIR也在太陽(yáng)軌道上運(yùn)行，16米的反射鏡遠(yuǎn)大于之前的太空望遠(yuǎn)鏡。

LUVOIR尚未正式立項(xiàng)，即使立項(xiàng)，到發(fā)射升空也需要15至20年時(shí)間，但天文學(xué)家還在計(jì)劃建設(shè)其他超大型太空望遠(yuǎn)鏡。大學(xué)天文研究協(xié)會(huì)提議建造12米反射鏡的高清太空望遠(yuǎn)鏡，其目標(biāo)就是發(fā)現(xiàn)地球2.0。

這些超大型太空望遠(yuǎn)鏡可能采用埃隆·馬斯克(Elon Musk)旗下SpaceX的獵鷹重型火箭發(fā)射。

地面望遠(yuǎn)鏡不可低估

建在地面上的望遠(yuǎn)鏡通常會(huì)受到云層和熱空氣的影響，由于地球的旋轉(zhuǎn)，它們只有在部分時(shí)間能工作，但在發(fā)現(xiàn)地球2.0方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。雖然通常被用來(lái)印證太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)，但不要低估它們的作用。

因此，建設(shè)更大地面望遠(yuǎn)鏡的競(jìng)賽也是如火如荼。巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡24.5米的反射鏡將在智利拉斯坎帕納斯天文臺(tái)研究系外行星，歐洲南方天文臺(tái)39米反射鏡的歐洲超大型望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)在建設(shè)中，將于2024年完工。

歐洲超大型望遠(yuǎn)鏡將是地球上對(duì)宇宙進(jìn)行觀察的“最大眼睛”，其次依次是夏威夷的30米望遠(yuǎn)鏡、位于智利的托洛洛山美洲洲際天文臺(tái)的大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡。

后者反射鏡大小“僅為”8.4米，但其3200兆像素的寬視角相機(jī)每個(gè)夜晚能記錄15TB數(shù)據(jù)。

尋找地球2.0需要時(shí)間、望遠(yuǎn)鏡和海量數(shù)據(jù)，但人類不會(huì)停下探索的腳步，現(xiàn)在的證據(jù)表明，技術(shù)將幫助人類找到地球的雙胞胎。