微型太空望遠鏡有望加速搜尋“比鄰星地球”[影片]

一部新影片展示了一個創新計劃,旨在拍攝我們太陽系最近的恆星鄰居——半人馬座α星周圍可能存在可居住行星的影像

一部新的短紀錄片重點介紹了天文學家們努力建造小型、低成本的太空望遠鏡,以搜尋半人馬座α星(我們太陽系最近的恆星鄰居)周圍的可居住行星。

推測性電影公司

尋找系外行星(即圍繞太陽以外的恆星執行的行星)一直是天文學中一個蓬勃發展的分支,已經有 20 多年的歷史了。天文學家利用地面天文臺以及美國宇航局的開普勒行星探測任務等太空望遠鏡,發現了數千個世界,它們的尺寸和軌道範圍廣泛,圍繞著各種各樣的恆星執行,並且有望在未來幾年內發現成千上萬甚至數十萬個行星。然而,一個關鍵問題仍然懸而未決:統計資料顯示,銀河系中應該存在數十億顆潛在可居住、潛在類似地球的行星,那麼“比鄰星地球”——最近的一顆——究竟有多遠呢?

美國宇航局艾姆斯研究中心的兩位科學家魯斯蘭·別利科夫和愛德華多·本德克認為,我們可能不需要看得太遠,只要看看 4.4 光年外的雙類太陽恆星半人馬座α星 A 和 B 就足夠了。他們根據當前已知的行星數量推斷每顆恆星的行星分佈情況,認為大約一半的類太陽恆星可能在不太熱、不太冷的“可居住帶”中擁有岩石行星,那裡可能存在液態水,從而也可能存在我們所知的生命。假設這種 50% 的機率不僅適用於單顆太陽,也適用於雙星系統中的兩個成員,那麼半人馬座α星就大約有 75% 的機會存在一顆潛在可居住的行星。


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尋找比鄰星地球,來自推測性電影公司

別利科夫和本德克的信念背後無疑有一些美好的願望。目前還沒有人知道我們星系中可居住行星的實際數量,甚至不知道如何最好地定義“可居住性”。一些研究人員認為,行星在雙星周圍形成的可行路徑較少,這意味著半人馬座α星周圍的世界的機率遠低於樂觀估計所顯示的。但我們知道一點是真的——該星系是我們最近的鄰居,因此在宇宙尺度上相對較近,那裡的任何有希望的系外行星都應該比宇宙中所有其他行星更容易被仔細檢查,以尋找可居住性和生命的跡象。

這些研究的一個主要步驟是拍攝行星的照片——用天文學家的術語來說是“直接成像”,它可以揭示行星大氣層和表面的其他方法無法獲取的細節。拍攝另一顆地球的照片(其亮度將比其外星太陽暗數十億倍)通常被認為是一項耗資數十億美元的努力,需要一個大型且高度先進的太空望遠鏡,其計劃和建造需要數十年時間。但對於半人馬座α星——而且只有半人馬座α星,因為沒有其他類太陽恆星像它一樣在天空中如此接近且明亮——別利科夫和本德克表示,這項壯舉可以使用一個可以放在咖啡桌上的小型太空望遠鏡來完成,而且成本如此適中,以至於可以在本十年結束前發射。

別利科夫說:“這個想法代表了天體物理學任務的傳統方式的正規化轉變。”美國宇航局和其他航天機構發射的大多數天文臺都是旨在進行廣泛調查的多用途平臺,之前的行星探測任務也不例外,它們傾向於觀測小塊天空密集分佈的許多遙遠恆星,而不是專注於我們太陽系最近、最亮的鄰近恆星。下一代任務——美國和歐洲的太空望遠鏡,如TESSCHEOPSPLATO——將更多地關注我們的鄰居,但仍將優先調查大量星系,而不是深入觀察少數星系。除此之外,美國宇航局的官方時間表甚至將更大膽的任務延遲到最早到 2030 年代,以拍攝潛在可居住行星的影像。建造一個大幅縮小尺寸的行星成像望遠鏡來專注於單個最佳恆星系統,可以補充並加速這些具有遠見的計劃。

本德克說:“一旦你離開半人馬座α星,拍攝恆星宜居帶中行星所需的望遠鏡尺寸就會迅速增加。”一個鏡面直徑為一米的望遠鏡將有足夠的光收集能力來有效地探測十幾個恆星,而一個四米長的儀器可能會檢查一百個,一個八米長的儀器可能會調查一千個。別利科夫和本德克的設計需要一個直徑僅為 30 釐米的鏡面。該望遠鏡與一種稱為日冕儀的儀器(一系列透鏡、可變形鏡面和不透明遮罩,用於濾除恆星的大部分光線)配合使用,就可以揭示潛伏在我們最近的恆星系統中的任何比恆星暗數十億倍的行星。

兩人於 2014 年正式向美國宇航局提出了這樣的任務,但該機構沒有透過這個投機性的、重點狹窄的專案。與此同時,其他人已經將探索半人馬座α星作為優先事項。最近宣佈的突破攝星計劃計劃在下一代人中向那裡發射由雷射推進的航天器編隊,而具有影響力的德克薩斯州眾議員約翰·卡爾伯森(共和黨)則呼籲美國宇航局開發星際推進方法,以便在 2069 年(首次阿波羅登月一百週年)之前發射自己的半人馬座任務。

現在,一個名為“半人馬座任務”的非營利組織正試圖透過私人資金使別利科夫和本德克以半人馬座為中心的望遠鏡成為現實,從而為這些專案提供一個更合適的行星目的地。該組織是一部新短紀錄片的主題,該紀錄片由推測性電影公司的佈雷特·馬蒂和約書亞·艾森伯格聯合制作和導演,其中包括對別利科夫、本德克以及美國宇航局開普勒任務的比爾·博魯基和傑克·利薩爾以及搜尋地外文明計劃研究所的比爾·戴蒙德等天體生物學名人的採訪。馬蒂說:“我們希望讓半人馬座α星對觀眾來說是一個非常具體的東西,在夜空中展示它,並讓這項探索感覺真實。如果你住在南半球,半人馬座α星是天空中最明亮、最容易辨認的恆星之一。但如果你住在北半球,你就永遠看不到它。”為了捕捉半人馬座α星周圍行星的探索過程,馬蒂和艾森伯格還在智利北部的阿塔卡瑪沙漠花費了數週時間,捕捉該恆星系統在南方夜空中旋轉的延時鏡頭,從活火山流出的熔岩上空升起,並籠罩在歐洲南方天文臺最強大的行星探測望遠鏡之上。

馬蒂說:“當我們發現比鄰星地球——第一顆真正擁有水和大氣層的類地行星時,我認為這對人類來說將是一場地震。” “這有可能從根本上改變我們作為一個文明和個體在宇宙中看待自己的方式……如果第一批人類在 200 年後踏上附近恆星系統中的一顆行星,那麼這個故事將從我們開始。我認為這非常強大。”

即使半人馬座α星確實擁有一顆或多顆類地行星,“半人馬座任務”的成功也遠未得到保證。該組織董事會主席佩德羅·戈多伊拒絕透露目前的籌款目標,但表示該專案的預算“不到中型天體物理學任務的 10%”。美國宇航局的中型探索者任務的預算在 1.8 億美元至 2 億美元之間,這表明“半人馬座任務”的成本將低於 2000 萬美元。他說,該組織已經資助了縮小望遠鏡日冕儀關鍵元件的工作,並贊助了軟體演算法的開發,以確保日冕儀能夠同時消除半人馬座α星 A 和 B 的光線——這是拍攝任何一顆恆星周圍行星的關鍵能力。來自私人機構的更多資金以及與美國宇航局或其他公共科學機構的潛在合作,可能會讓“半人馬座任務”在幾年內使用 SpaceX 或其他低成本發射供應商的火箭建造併發射其望遠鏡。

別利科夫和本德克說,儘管專門為半人馬座α星建造太空望遠鏡可能存在風險,但繼續忽視太陽系最近鄰居的潛力並避免追求更加靈活和負擔得起的太空任務的新時代,風險會更大。“我們現在對數百或數千光年外的數千顆行星和行星候選者瞭解了各種各樣的事情,但我們對我們隔壁的恆星幾乎一無所知,”別利科夫說。“我認為這需要改變。”

Lee Billings is a science journalist specializing in astronomy, physics, planetary science, and spaceflight, and is a senior editor at 大眾科學. 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 大眾科學, 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 大眾科學 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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