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尋找第二個地球

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credit: CC by Debivort @Wikimedia Commons

文 / 辜品高(中研院天文所)

西元1995年是人類科學史上畫時代的一年,天文學家發現太陽並不是唯一帶有行星的恆星,這個結果掀起一股研究外星生物的風潮。生命如何在地球開始的,或是甚至有機會在太陽系以外的行星上形成,至今仍然是一個謎。在地球上,我們通常說構成生命的三要素是陽光、水、和空氣。陽光供給植物和某些微生物行光合作用所需的永續能量。水則是一種相當好的溶劑:可能在早期的地球,不同的有機分子可以溶解於海洋或湖泊中,透過彼此之間的生化反應,而進化成生命體。可是,溫度和大氣壓力要正確,水才能以液態方式存在於一個行星表面上。

怎麼能成為「第二個地球」的條件?行星不能離開它的母恆星太近,以至於太熱而將水給蒸發離開該行星。當然也不能離它的母恆星太遠,以至於太過寒冷而水都結成了冰。我們知道,恆星有著不同的質量。質量比太陽大的,輻射能量比太陽強;反之,質量比太陽小的,輻射強度就比太陽弱。所以當一個恆星的質量越小,所給予的輻射能量越低,行星就必須越靠近此恆星,以維持水可以在其表面存在的溫度。

此外,行星質量可能需要像地球,才能有足夠適當的大氣,去維持在地表上液態水的存在。譬如說,月球因為質量僅是地球的百分之一,微弱的重力無法抓住大氣,造成氣壓太低使得水無法在表面存在。另一方面像木星或海王星之類的巨大行星,質量超過十個地球。它們的外層或者甚至內部,主要由濃厚的氫氣和氦氣所組成,以至於氣壓過高,液態水也無法形成。綜合以上所說,天文學家給每一個單一的恆星定義一條所謂的「適居帶」(habitable zone):給予足夠合理的大氣,液態水可以在類地行星表面存在的環狀軌道帶。

尋找太陽系外的類地行星是無比的困難,母恆星的光源倒成為尋找暗淡系外地球的光害。但是我們知道,受到行星重力的影響,會使得母恆星的光譜線因為都卜勒效應而呈現週期性的微小頻率變化,天文學家巧妙地觀測這種現象來間接發現行星。行星凌星是另外一種普遍用來尋找系外行星的方法:試想一個系外行星的軌道面恰巧和觀測者的視線幾乎平行,每當行星運行到母恆星和觀測者之間,也就是在所謂凌星發生的時候,母恆星的光度會因微小行星的遮掩而稍微變暗。

最近上檔的電影「星際效應」,描述因為地球氣候變遷而缺糧,人類被迫去尋找第二個適居的地球。因為劇中候選行星都在黑洞附近,強大的重力導致幾年的光陰減慢到幾個小時。這種行星真得會存在嗎?根據廣義相對論,如此巨大的時間變化只能在黑洞的事件穹界(event horizon)附近才會發生,結果是候選行星不但因為黑洞強大的重力失去它的母恆星,也因為強大的潮汐作用而被無情地扯裂(tidal disruption)。當然我們無需對科幻電影的劇情挑三撿四。有趣的科學聯想是,在電影裡呈現黑洞的重力可以讓光線彎曲而成像,事實上行星的重力也可以像透鏡讓背景星光彎曲而聚焦。這種現象稱作重力微透鏡(microlensing)。天文學家已利用這種方式發現大約30個系外行星,期盼未來利用重力微透鏡可以發現在「適居帶」的類地行星。

利用都卜勒效應和行星凌星,天文學家已發現十幾個類地行星在「適居帶」內。希望下一代的哈伯望遠鏡,也就是詹姆士韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope),將有機會透過凌星的過程,觀測到系外地球的大氣環流和光譜。如果光譜顯現氧氣、臭氧、水汽、二氧化碳等分子的存在,這將強烈暗示「第二個地球」的存在,或許進一步能幫助人類了解生命的起源!

參考資料

  1. 辜品高 “太陽系與系外行星的探索” 2011/夏 台北星空
  2. The Habitable Exoplanets Catalog
  3. Habitable Zone Gallery
  4. Universetoday: Event Horizon of a Black Hole
  5. Gezari, Suvi “The tidal disruption of stars by supermassive black holes”, Physics Today, 67, 37, 2014
  6. WFIRST Mission: exoplanets – microlesning
  7. James Webb Space Telescope: starlight filters through planetary atmosphere
  8. 蔡尚閔, Dobbs-Dixson, Ian., 辜品高 “Super-rotating circulation in the atmosphere of a tidally locked exoplanet”, Astrophysical Journal, 793, 141, 2014

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