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Jul. 05 2021

天文學家:能看到地球的恆星系統有兩千多個

  • 克卜勒186f(Kepler-186f)是我們在適居帶(habitable zone)內發現的第一顆岩質系外行星。「適居帶」是指在恆星周圍適合生命存在的區域,溫度適宜,表面有液態水。如果像克卜勒-186f這樣的行星上有智慧生命存在,或許他們已經用與我們類似的方法發現了地球。ILLUSTRATION BY NASA AMES/SETI INSTITUTE/JPL-CALTECH

    克卜勒186f(Kepler-186f)是我們在適居帶(habitable zone)內發現的第一顆岩質系外行星。「適居帶」是指在恆星周圍適合生命存在的區域,溫度適宜,表面有液態水。如果像克卜勒-186f這樣的行星上有智慧生命存在,或許他們已經用與我們類似的方法發現了地球。ILLUSTRATION BY NASA AMES/SETI INSTITUTE/JPL-CALTECH

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如果銀河系裡有其他外星生命存在,那他們必須要在這些恆星系統中,才能觀測到地球凌日的現象。

天文學家藉由系外行星(exoplanet)行經母恆星表面時短暫遮掩部分星光的方法,發現了好幾千個「外星世界」,這其實是天體之間位置幾何排列的簡單後果。在過去十年間,藉由觀測這樣的凌日現象,我們了解到在銀河系中的行星數量要多於恆星──而且其中有許多星球都適合生命繁衍。

現在,天文學家正反過來思考星光閃爍的問題。

「當地球擋住來自恆星的光線時,是否也被當成了凌日行星?哪些恆星會把我們當作是外星生命呢?」康奈爾大學的麗莎 .卡坦奈格(Lisa Kaltenegger)提出這樣的疑問,並且在6月24日出刊的《自然》(Nature)期刊上給出了答案。

大多數的系外行星是在它們行經恆星表面前方時被發現的。雖然凌日法的成效驚人,但還是有無數行星被錯過。從地球的角度來看,這些行星並沒有經過它們的母恆星盤面前方。同樣地,外星觀測者也需要從正確的位置觀察,才會看到地球定期遮擋住一部分的陽光──但這還是會隨恆星相對位置改變而有不同。

「宇宙是動態的,所以這個有利位置應該會隨時間而改變──我想知道,要花多長的時間才能找到一顆行星?」卡坦奈格問道。

卡坦奈格與紐約的美國自然史博物館(American Museum of Natural History)資深科學家潔琪.費爾帝(Jackie Faherty)合作,計算出圍繞著附近2034顆恆星運行的外星生命,能夠在5000年前到5000年後的這1萬年時間裡,觀測到地球從太陽表面前方掠過的機會。

他們還估算出有29顆可能的適居行星能夠看到地球凌日,而且距離我們夠近,得以探測到人類的無線電波傳輸。這樣的研究為我們的「搜尋外星智慧生物」(Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI)計畫提供了一群目標恆星。

「這些新確認的恆星應該是尋找地外文明計畫的主要目標,因為那裡有可能是刻意向我們發出星際訊息的來源。」馬克斯.普朗克太陽系研究所(Max Planck Institute for Solar System Research)的勒內.海勒​(René Heller)在一封電子郵件中說。如果外星觀測者知道我們在這裡,他們可能會「向我們打招呼」。

一群不斷轉動的恆星

為了確認能夠觀測到地球凌日的恆星系統,卡坦奈格和費爾帝仔細檢查了歐洲航太總署(European Space Agency, ESA)蓋亞(Gaia)探測器的數據,這艘太空船仔細監測著超過10億顆恆星的運動情形。

所有能看到地球凌日的星球,都與地球繞太陽公轉的軌道面精確對齊──這個薄薄的平面稱為「黃道面」(ecliptic plane),在這項研究中也稱為「地球凌日帶」(Earth transit zone)。只要偏離黃道面上方或下方一些,就無法看到地球的公轉軌跡。他們確認了在距離地球約300光年的範圍內,有1402顆目前位於黃道面上的恆星。然後他們對星體的運動情形按下快轉和倒退鍵,研究恆星如何隨著時間移動,找到那些偶然移動到可觀測地球位置的恆星。

雖然天空中的恆星看起來並沒有大幅度的移動,但其實它們之間的相對位置一直在不斷變化。

「由於恆星之間的距離非常遙遠,所以研究能看到地球凌日的可能性時,把時間因素納入考慮相當重要。」做過類似計算的海勒在一封電子郵件中寫道:「我們要把天空看作是一部電影,而非一幅圖畫。」

研究團隊發現,在過去的5000年裡,有另外313顆恆星可以觀測到地球凌日的情形。在接下來的5000年裡,又有另外319顆恆星可以觀測到同樣的景象。

「弄清宇宙的『地球景觀第一排』座位能持續多久是件很有趣的事。」 卡坦奈格說。許多恆星至少要1000年的時間才能找到地球,「其中很多要超過1萬年,」她說:「所以這是個相當漫長的過程。」

↑↑↑↑↑101科學教室:系外行星

這些恆星中有七顆恆星擁有已知的系外行星,有些甚至可能是岩質星球。根據我們對岩質行星的了解,卡坦奈格和費爾帝估計其中至少有508個適居的行星,其中29顆與地球的距離夠近,可以探測到地球的無線電傳輸。

過去的一個多世紀以來,我們一直將無線電訊號散漏到太空之中。有些訊號太過微弱,在經過宇宙這麼大尺度的距離後就不易辨別,像是電視廣播。但其他像是由大型雷達儀器發射的集中無線電波,就很容易被偵測到。

目前我們最強大的無線電波傳輸是行星雷達──天文學家利用天體反射無線電波的特性來研究像是小行星這類的太陽系天體。阿雷西博天文臺(Arecibo Observatory)在去年12月坍塌之前,一直是地球上最具威力的行星雷達,發射器發出的信號主要瞄準黃道上的天體,同時也有效地向在視野範圍內的系外行星送出訊息。

「如果你位在地球凌日帶中,就會在我們研究太陽系的同時,偵測到大量的無線電波輻射爆發,因為這些天體都在同一個平面上。」加州大學柏克萊分校搜尋外星智慧生物研究所(SETI Research Center)的蘇菲亞.謝赫(Sofia Sheikh)也在這群類似恆星的周圍尋找地外文明,「因此,能夠看到地球凌日的恆星很可能在偶然的情況下,接收到雷達天文學外流的訊號。」

位於地球凌日帶的外星觀測者甚至可以藉由合適的儀器,看到人類緩慢改變地球大氣層的組成──從大約200年前的工業革命(Industrial Revolution)開始有劇烈的改變,一直持續到今天。謝赫表示,這是科技特徵(technosignature)的一個例子,或者說是標示某些人為因素正影響了包覆星球氣體的自然成分。

劃過夜空的星球

然而,正如卡坦奈格和費爾帝所指出的,有些我們認為可能適合生命生存的系外行星還無法看到地球凌日──雖然我們可以探測到它們。這有點像是藉由一面宇宙雙向鏡來觀察。

這些行星包括了圍繞著TRAPPIST-1恆星運行的七顆與地球大小相近行星中的四顆,在接下來的1642年裡它們都無法看到地球凌日。另外兩顆圍繞著12光年外蒂加登星(Teegarden's Star)運轉的與地球質量相似行星,要等到2050年才能夠看到地球。距離地球約11光年遠的羅斯128(Ross128)擁有一顆與地球質量相當的行星,可以觀測地球凌日的時間長達2158年之久──直到900年前的中世紀中期(High Middle Ages),地球才離開它們的可觀測範圍。

「在靠近黃道面恆星周圍的假設觀測者,有可能雖然現在看不到地球凌日,卻在數千年前就發現了地球這顆擁有生命的行星,或是要到數千年後,才能觀察到我們。」海勒寫道。

在羅斯128的行星上,會不會有誰在近1000年前就發現了有生物居住的地球呢?他們是否錯過了在這顆黯淡藍點上發現生物演化跡象的機會?而當TRAPPIST-1的行星終於有機會發現地球時,地球上的生命又會是什麼樣子?地球的化學組成會發生怎樣的變化?

「我們得要用超前思維來思考問題,不能只看此時此地的狀況。」謝赫說:「如果我們尋找的是處於相同演化階段的事物,就會限制我們的搜索。我認為無論是在生物或是科技層面上,都得要考慮遙遠的未來和久遠的過去才行。」

 

延伸閱讀:神祕「電波爆發」原來離我們這麼近! / 發現距離地球最近黑洞!

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