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“幽灵世界”生命希望

美国天文学家亚历山大·沃尔兹冈最近有点闷闷不乐,但其中又夹杂着兴奋。

“幽灵世界”生命希望?

美国天文学家亚历山大·沃尔兹冈最近有点闷闷不乐,但其中又夹杂着兴奋。他的郁闷不无道理:他发现了第一批太阳系以外的行星(简称系外行星),却几乎未得到认可。他的后续研究缓慢而又费劲,多次走进死胡同。但这些问题看来一点都没有困扰他,真正让他陷入矛盾情绪的,其实是这些行星本身。

在已知的行星当中,地球的运气真不错:它环绕一颗稳定的恒星——太阳,太阳给它提供的热量又刚好合适。而沃尔兹冈在22年前发现的系外行星,则没有这么幸运。它们环绕的是一颗脉冲星。脉冲星是一种个头很小、自转迅速的恒星灰烬,它用凶猛的辐射潮涌轰炸身边的行星。受脉冲星发出的粒子风影响,这些行星的天空中可能会有一种永久性极光。一些超高能粒子可能坠落到行星表面,把行星“炸平”。不过,与出生时的暴烈相比,这些行星目前的悲惨根本就不算什么:超新星将自己的“前生”——恒星大部分粉碎掉,产生的温度高达1000亿℃的灰烬最终聚合成行星。

不久前,沃尔兹冈把注意力转向另一类难逃劫数的行星。他开始寻找并研究红巨星周围的世界。红巨星是年迈的恒星,它们几乎已耗尽自己的核燃料。在生命的最后痉挛中,它们肿胀并且非常剧烈地变亮,还甩出巨大的气云。任何环绕红巨星的行星,在此过程中都会被烘烤和冲击。大约50亿年后,地球也可能遭遇如此命运。届时,太阳将加入红巨星的行列。而对于沃尔兹冈正在细查的那些遥远行星来说,这正是它们目前的遭遇。

这些研究领域把沃尔兹冈和其他天文学家截然分开。自从他1992年发现那颗脉冲星以来,其他许多科学家也开始寻找其他恒星周围的世界,但他们的方式几乎都不同于沃尔兹冈的。换句话说,沃尔兹冈在同行中显然有点另类。今天,大多数的“行星猎手”(指致力于寻找系外行星的科学家),聚焦的都是那些与地球类似的行星。事实上,经常都有发现类似地球的系外行星的消息发布,但实际上,这些行星在大小、温度或组成方面,与地球的相似性都很模糊。

沃尔兹冈不关注这些所谓的“类地行星”,而是在意那些濒死的、已经死了的和已经进入不安的“来世”的行星,例如脉冲星周围的行星。不妨把这些行星合称为“幽灵世界”。在舒适度和稳定性方面,它们与地球大相径庭。从某种意义上说,它们已经从一个意义上进入另一个意义上的存在。它们是沃尔兹冈的大多数同仁都视而不见、不屑一顾的怪异天体。不过,正是由于这些因素,让沃尔兹冈对它们情有独钟:它们是极端案例,能测试有关行星怎样形成以及在哪里生存的理论极限。

但必须指出,沃尔兹冈关注的其实也是生命世界,只不过他的切入点与别人正好相反。他指出,恒星衰老过程对行星的影响,关系到行星上生命的长期生存,这当然对我们的地球也有相当的意义。他知道,人类的生存的确面临一些危机,但他探索的那些行星又让他确信,宇宙中真的不乏生命,这就是他既不开心又开心的原因。

“幽灵世界”生命希望

“幽灵世界”生命希望脉冲星PSR B1257+12的行星系统(想象图)

“1257”的3颗行星

沃尔兹冈的幽灵世界之旅开始于一段“偷来”的时间。直径超过300米的阿雷西博射电望远镜位于波多黎各。通常情况下,它的观测时段都被预订得满满的。但当沃尔兹冈1990年1月造访这里时,这座巨大的望远镜正停转检修。他意识到这是一个难得的机会,于是请求执行“盲眼调查”并获准。所谓盲眼调查,就是利用地球的自转,让天空的不同部分依次进入望远镜的视野,然后查看有无任何异常出现。虽然对天空中的每一个区域只有30秒观测时间,但因为这座望远镜如此巨大,所以仍然足以发现许多有趣的东西。沃尔兹冈戏称当时进行的是“牛仔科考”,即边骑马边看。

沃尔兹冈进行了大约10天的巡天,很快就探察到了一种特殊的脉冲星——毫秒脉冲星,即每秒自转数百次的脉冲星。当时,它仅仅是第5颗被发现的这类脉冲星。这颗星如今的正式名称是“PSR B1257+12”,其中“PSR”代表脉冲星,“B1257+12”表示的是它在天球上的坐标。沃尔兹冈则简称它为“1257”。但回想当初,当他试图解释来自这颗城市一般大小的脉冲星的奇异无线电脉冲定时之际,他并未产生这种亲切感,反倒感觉痛苦万分,原因很简单——它根本不符合任何标准模式。难怪他不得不绞尽脑汁,苦苦思考。

沃尔兹冈很快就意识到,如果一颗小天体正在前后拉扯这颗脉冲星,导致它的信号有时候早到一点,有时候晚到一点,那么这些阿雷西博数据就不难理解了。到了1990年6月,他已经确信一颗环绕脉冲星的行星是唯一合理的解释。但又经过了大量非常辛苦、细致的分析,才证明了PSR B1257+12实际上拥有3颗行星,分别是A、B、C。

他知道这一研究结果必须接受同行的详细审议:这些行星是第一批在一般认为不可能存在行星的地方发现的、却又被证实存在的系外行星。难道在公开自己的这个发现之前,沃尔兹冈对它没有任何怀疑?他说“绝对没有”,因为虽然这个结论听起来有点怪异,但脉冲星计时是一种极为准确的方法。

“幽灵世界”生命希望阿雷西博射电望远镜

1992年1月,沃尔兹冈在美国天文学学会的一次会议上公布了自己的上述发现。行星B和C的质量都大约是地球的4倍,行星A的质量只有地球的1/50,只比月球的质量大一点点。事实上,它是迄今已知质量最小的系外行星。这一宣布引来了惊奇和困惑的浪潮。从哥白尼到卡尔·萨根(1934~1996年,美国著名天文学家、宇宙学家、天体物理学家和天体生物学家),一系列很宽范围的影响终于让天文学家们确信:星系中必定充满了其他很多很多像太阳系一样的恒星-行星系统。而如今,终于确凿地发现了环绕另一颗恒星的行星,但两者看起来都完全不对劲。毕竟,几乎每个天文学家都以为行星只能环绕“正常的”恒星。怪异的行星环绕怪异的脉冲星?这是怎么回事?

“幽灵世界”生命希望脉冲星PSR B1257+12的一颗行星表面情景(想象图)

推断出的有关PSR B1257+12的故事,与太阳系的故事相比,也完全是另一回事。我们的太阳是一颗中等质量的质朴恒星,而演化成脉冲星的恒星一开始就拥有超大质量,而且光彩夺目。地球及其相邻行星都作为太阳诞生时的一部分而形成,环绕脉冲星的行星却诞生于恒星的死亡阶段。

对于脉冲星的行星,沃尔兹冈勾勒出这样的故事。在年轻时,脉冲星PSR B1257+12原来的恒星质量至少是太阳的8倍。在自身的巨大引力作用下,恒星明亮、炽热地燃烧,在仅仅几百万年里就消耗了大部分核能储存。在生命末期,恒星作为超新星爆发,把自己的大部分材料猛烈向外抛。剩下的一切,只是原来恒星核的一个残块。它极度致密,高速自转——它就是脉冲星。在这场超级动荡中,在超新星之前可能存在于轨道中的任何行星,都肯定会被消灭。不过,恒星的转变过程至此并未完成。

不管是起源于附近一颗伴星,还是产生自所谓的超新星坠回材料(恒星抛射材料中因速度不够,而未能逃逸到太空的那部分),一个气体盘围绕脉冲星形成了。气体盘接着凝固,创生一个新行星家族,这些行星由超新星创造的重元素组成。

“幽灵世界”生命希望图为环绕脉冲星PSRB1620-26的一颗蓝色行星(想象图)。科学家推测,早期宇宙中可能不乏行星。

全新世界

作为继1930年冥王星被发现后再次发现新行星的第一人,沃尔兹冈为自己在教科书中赢得了一席之地。由于冥王星如今已被降格为矮行星,所以也可以说他是继1846年海王星被发现后发现新行星的第一人。但PSR B1257+12的3颗行星很快就淡出人们的视线,因为它们太过怪异,太出乎预料。它们不符合美国宇航局对系外行星的找寻标准,它们的特点并不引人注目。从1995年开始,其他天文学家陆续发现了围绕“正统”恒星(类太阳恒星)的行星。此后,对系外行星的注意力,大部分都很快转到这个方向。

在此背景中,幽灵世界却一直在静悄悄地变得越来越耐人寻味。1993年,当时在加州理工学院工作的斯蒂芬·索赛特辨识了环绕另一颗脉冲星——PSR B1620-26的一颗行星质量的天体,并称之为“行星PSR B1620-26”。它与沃尔兹冈发现的脉冲星的行星完全不同:它的质量是木星的2.5倍,超过PSR B1257+12的3颗行星总质量的100倍。它的轨道也截然不同:它沿着一条100年走完一圈的路径,同时环绕脉冲星和另一颗独立的伴星。它与地球的距离是127亿光年,这让它成为已知最古老的行星,绰号“寿星”。基本上可以肯定,它是一颗“抢”来的行星,是从另一颗伴星那里抢来的。

2011年,由马修·贝尔斯领导的一组澳大利亚射电天文学家(射电天文学是天文学的一个分支,它在无线电频率研究天体),发现了第三个环绕一颗脉冲星“PSR J1719-1438”的行星系统。它与沃尔兹冈和索赛特发现的脉冲星的行星系统都不同:它的质量与木星相仿,密度却是木星的10倍,比铅的密度还高。极高的密度透露了它的起源,没有哪颗正常行星的密度会这么高。最可能的情况是,行星“PSR J1719-1438 b”是一颗近距离环绕脉冲星的恒星的全部残骸。这颗恒星的大部分被脉冲星诞生时的爆炸毁灭,只剩下被高度压缩的星核。如果贝尔斯的猜测无误,这颗行星的外层就可能是由结晶碳组成的。结晶碳的另一个更常见的名称是:钻石。没错,这颗脉冲星的确装饰着一枚巨大的钻石。

除此之外,迄今为止再未发现过其他脉冲星的行星。这就留下了一个奥秘:3个发现,3类完全不同的行星。沃尔兹冈相信,星系中像他的“1257”那样的脉冲星数量很多,但它们的行星个头太小,不能被现有的射电望远镜搜索到。他计划重返阿雷西博寻找它们,但这得花大量观测时间。就目前而言,他把注意力对准另一类个头更大的幽灵世界。

“幽灵世界”生命希望环绕脉冲星PSR J1719-1438的行星系统(想象图)“幽灵世界”生命希望红巨星周围的行星世界(想象图)。

被烤焦的残骸

只有最大质量的恒星才会演变成脉冲星,这类恒星“大佬”毕竟很少见。在银河系中,大约97%的恒星都较小。它们采取另一种演化途径——在变成红巨星之后继续演变。像太阳这样的主流恒星,在衰老过程中逐渐变亮、变热(我们的太阳目前正是如此),直到最终的悸动让它肿胀成一颗红巨星。从天文学意义上说,红巨星很快就会炸掉自己的外层,留下一颗白矮星(基本上就是恒星的内核)。白矮星逐渐降温,直到一切归于永久的黑暗。

如果你想了解大多数濒死、已死或重生的行星,红巨星附近是最佳研究场所。沃尔兹冈已把大部分注意力转到这个方向,还招募了一大群合作者。从2004年起,他们调查了大约1000颗恒星,其中大多数是红巨星。沃尔兹冈指出,通过探索红巨星周围的行星,能够了解行星系统在其环绕的恒星开始演化、失去质量和肿胀等情况下会发生什么。

沃尔兹冈等人已发现了超过40个环绕红巨星的行星系统,这让他们能够估计同样的过程将如何在太阳系里上演。随着太阳变得越来越亮,越来越烫,太阳系的可居住区域将外移。大约10亿年后,地球将变得过热,而火星则将变得风和日丽。到那时,木星和土星的卫星将解冻,其中欧罗巴(木卫二)和泰坦(土卫六)将转变成暂时性的海洋世界。在太阳最为“红光满面”时,其辐射的热量之多,甚至就连冥王星也会变得春风和煦。美国宇航局“新地平线”飞行器(计划2015年抵达冥王星)任务的领导者阿伦·斯特恩认为,这些可能性的确存在。

对于行星的生存来说,红巨星阶段是不成则败的时段。随着恒星抛却其外层,它的质量越来越小,引力也越来越小。作为回应,行星会外移到新轨道,从而有可能让整个恒星-行星系统变得混沌而失去稳定性,发生轨道交叉、行星之间撞击之类的事件。与此同时,恒星持续膨胀,存在吞噬自己的行星“孩子”的可能性。

沃尔兹冈已见过这类后果,见过轨道呈高度椭圆的行星,见过位于恒星外层、幽灵般的气体云。有关数据尚不能确定地球的结局将是其中哪一种,或许它依然会作为一个岩石球存在,但那也将是彻底的不毛之地。那时的水星和金星,几乎可以肯定将被气化。

最近,通过对一颗被称为“BD+48 740”的红巨星的研究,沃尔兹冈及其同事得到了上述两种可能性。研究者们在一篇论文中报告说,“BD+48 740”的表层中有大量的锂。这种元素在行星上常见,在恒星上却几乎不存在。他们把这些锂解读为一颗被焚毁行星的化学残余。与此同时,一颗质量稍大于木星的主要行星依然环绕恒星,但其轨道已被扰动,变成了椭圆形。

“幽灵世界”生命希望白矮星及其周围的岩石材料(想象图)

生命轮回

故事至此,变得越发迷离。那么,沃尔兹冈等人对宇宙中充满可居住世界的乐观,又从何而来?一篇有关在白矮星周围寻找生命的新论文,可能提供了答案。首先,该论文暗示白矮星周围可能存在可居住的行星,而且是在红巨星“炼狱”之后“没有出路”的阶段。其次,论文的领衔作者是非常著名的哈佛大学理论物理学家阿维·洛柏。由此看来,沃尔兹冈等人的乐观应该也不是无端猜测。

洛柏解释说,白矮星周围很明显有碎屑盘,这些材料原则上可凝固成行星。问题是:如果白矮星周围真的有行星,其中一些还是岩石行星,那么它们是否会支持生命的存在?洛柏指出,在白矮星形成10亿年后,它的温度将与太阳相仿。到那时,它的个头将小得多,亮度也暗得多,但如果行星形成于离白矮星很近(比地球与太阳之间距离近很多)的轨道上,它们就能获得足够的光和热,从而能构成生命存在的条件。这被称为生命的第二起源:新世界从旧世界的灰烬中诞生,新生命从被烤焦的行星系统残骸中浮现。

白矮星持续降温,因此,哪怕它旁边的行星开始时温暖舒适,也会逐渐进入深度冻结。不过,行星的可居住条件依然可能持续足够长时间——至少几亿年,从而让生命有时间重新开始。如果生命从未真正灭绝,那么生命演化过程可能会更快。在一个演化中的行星系统里,生物体可能会从一颗行星或卫星跳跃到另一颗这样的天体,这要么是刻意的移民,要么是通过小行星撞击来实现。在恒星过渡到红巨星的过程中,生命将会向外迁徙,而一旦白矮星出现,生命则一定会向内迁移。

洛柏的上述白矮星理论令人惊讶,但沃尔兹冈有关脉冲星附近行星可能存在生命的理论,更令人大跌眼镜。传统教科书和论文绝对不支持这类生命理论,但沃尔兹冈向来对传统“不太感冒”。在他的说法中,这些行星或许拥有强大的保护性磁场,它们表面的生命可能穿着辐射防护服到处活动。在他看来,生命只是行星的一个特性而已,其他特性则包括大气层、大陆漂移、火山活动、温室效应和与恒星之间的距离合适等等。生命并不一定要取决于行星的初始条件,生命的出现并不一定是一件很复杂的事。即使是在条件严苛的“幽灵世界”里,也不能断定生命无从立足。

射电天文学

射电天文学是指用无线电频率研究天体的天文学分支。首次对来自天体的无线电波进行探测,是在20世纪30年代进行的。当时,美国天文学家卡尔·央斯基观测到了来自银河系的辐射。后来的观测辨识了一系列不同的无线电发射源,其中既有恒星和星系,也有全新类型的天体,例如射电星系、类星体、脉冲星和脉泽。通过射电天文学,科学家发现了宇宙微波背景辐射,这被认为是大爆炸(即宇宙始于大爆炸)理论的证据。射电天文学研究是利用被称作射电望远镜的无线电天线进行的。射电望远镜可以单独使用,也可与运用无线电干涉测量和孔径合成技术的多座望远镜联用。对干涉测量的使用,让射电天文学能达到很高的角分辨率,这是因为干涉仪的分辨能力决定于其元件之间的距离,而不是取决于元件大小。

在央斯基20世纪30年代观测银河系之前,物理学家猜测来自天体的无线电波可能会被观测到。在19世纪60年代,苏格兰物理学家麦克斯韦的方程组已经证明电磁辐射与电和磁都有关,并且任何波长都可能存在电磁辐射。科学家进行了多次尝试,欲探测来自太阳的无线电发射,但由于实验仪器的技术水平有限,这些尝试都不成功。

20世纪30年代初,央斯基非常偶然地发现了首个天体无线电来源。当时,作为贝尔电话公司的一名工程师,他正在调查干扰短波跨大西洋声音传输的静电。使用一部定向天线,他注意到自己的模拟纸笔记录器持续记录到未知来源的一个重复信号。由于此信号大约每24小时达到峰值,央斯基起初相信干扰源是干扰定向天线视图的太阳。但进一步的检测表明,干扰源并非精确跟随每天24小时的太阳周期,而是具有每23小时56分钟的重复周期。央斯基向他的朋友、天体物理学家兼教师梅尔文提到这一奇怪现象。后者指出,23小时56分钟正是一个恒星日的精确时长,也就是说,干扰源的确是一个天体!央斯基最终判定,当他的定向天线瞄准人马座中银河系最致密的部分时,辐射源就达到峰值。他认为,由于太阳和其他恒星并非是无线电噪声的主要发射器,因此定向天线遇到的奇异无线电干扰有可能是由银河系中的星际气体和尘埃产生的。(后来才发现,这一干扰是由一个强磁场中的电子发射的,而这一强磁场来自位于这个最致密部分的复杂天体。)

央斯基在1933年公布了自己的发现。他希望更详细地调查来自银河系的无线电波,但贝尔公司指派他去从事另一个项目,所以他没能持续在天文学领域的工作。不过,他在射电天文学领域的先锋工作得到了认可:辐射流密度的基本单位——央斯基,就是用他的名字来命名的。1937年,受央斯基的工作激励,美国科学家雷柏在自家后院建造了一部抛物面射电望远镜。他以重复央斯基的观测为开端,接着在无线电频率进行首次巡天观测。1942年2月27日,英国科学家赫伊对太阳发射的无线电波进行了首次探测。

“二战”期间,英国剑桥大学对电离层进行研究。在那里,拉特克利夫和其他科学家一道,从事战时雷达研究。他们建立了一个无线电物理学团队,对来自太阳的射电辐射进行观测、研究。这一早期研究很快就分化成对其他天体无线电源的观测。从此开始,射电天文学蓬勃发展,直到今天。

“幽灵世界”生命希望

作者:刘声远

来源:《大自然探索》

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