■提要
在茫茫的宇宙當中尋找類(lèi)似地球這樣適合生命繁衍的行星是十分艱難的，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類(lèi)不屈不撓的精神使得我們正在不斷地接近這個(gè)目標，但是即使找到了這樣的星球，最近也是離我們幾個(gè)光年，少數去幾個(gè)人可能，要把地球上幾十億人都搬過(guò)去是不太可能的。所以有幸生活在地球上的人們，應當共同擔負起保護地球的神圣責任，讓宇宙中人類(lèi)這個(gè)高貴的物種多延續幾代。
■主辦：北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì )
■協(xié)辦：北京科普發(fā)展中心嘉星一族、首都圖書(shū)館
■時(shí)間：2011年12月
■地點(diǎn)：首都圖書(shū)館
■主題：尋找第二個(gè)地球
■主講人：陳建生（天文物理學(xué)家、中國科學(xué)院院士、中科院國家天文臺研究員）
■開(kāi)普勒-22b能成為第二個(gè)地球嗎？
2011年12月，美國宇航局所屬的開(kāi)普勒空間望遠鏡確認了一顆行星，它位于所謂的“可居住帶”中，并且圍繞一顆和我們的太陽(yáng)非常相似的恒星公轉。這顆系外行星被命名為開(kāi)普勒-22b(Kepler-22b)。那么這就引起了“第二個(gè)地球”的問(wèn)題，這顆22b也能適合人類(lèi)生存嗎？
在這個(gè)問(wèn)題上，到2011年2月為止，科學(xué)家共發(fā)現了54顆位于可居住帶的系外行星候選體，22b是首顆得到確認的。但是尋找第二個(gè)地球，這件事情并不是那么簡(jiǎn)單，實(shí)際上人類(lèi)離真正找到第二個(gè)地球，路程還非常遙遠。22b會(huì )不會(huì )成為第二個(gè)地球，還有很多未知數。
大家知道宇宙當中有幾千億個(gè)銀河系，每一個(gè)銀河系差不多有一千億個(gè)太陽(yáng)，把這兩個(gè)數乘在一起，宇宙當中大概會(huì )有十的二十三次方個(gè)“太陽(yáng)”。像太陽(yáng)這樣會(huì )發(fā)光的恒星，我們所居住的銀河系里面大概就有兩千億個(gè)。太陽(yáng)并不在銀河系的中心，而是在從中心到邊緣三分之一的地方，并不是一個(gè)很耀眼的位置。
假如說(shuō)我們能夠跑到銀河系比較遙遠的一個(gè)恒星上來(lái)看太陽(yáng)的話(huà)，實(shí)際上太陽(yáng)系也就消失在茫茫繁星之中，是一個(gè)很不起眼的點(diǎn)；如果我們的飛船很靠近土星，回過(guò)頭來(lái)拍地球，看到的地球只是一個(gè)光點(diǎn)；那么要是從月亮上來(lái)看地球呢？它就像我們從地球上看月亮那樣大了。地球雖然在茫茫宇宙當中是并不起眼的一個(gè)星球，但是上面卻存在非常美麗的家園，繁花似錦，綠樹(shù)成蔭，還有我們人造的文明。
既然說(shuō)22b很像地球，我們就先來(lái)看看，地球究竟是什么樣一個(gè)星球？為什么在地球上適合生命的繁衍？然后我們回過(guò)來(lái)再來(lái)看22b是不是具備這些條件。
■為什么地球適合生命繁衍？
第一個(gè)判據就是可居住帶。就是這個(gè)行星和它自己的母星（恒星），在一個(gè)非常合適的距離上，太近就太熱，太遠就太冷，那么不近不遠的地方最適合生命繁衍。你看，太陽(yáng)有九大行星（當然冥王星后來(lái)被降格為矮行星，不再是大行星了），最里頭是水星，而火星又遠了一點(diǎn)，地球剛好處在這樣一個(gè)溫度合適的地帶，就可居住。
除了距離合適以外，地球還有合適的質(zhì)量。地球的質(zhì)量如果比現在小，像火星那樣，它的引力就不夠大，就不可能吸引住一個(gè)比較合適的大氣，所以火星上基本沒(méi)有大氣，因為大氣里面的分子都逃逸掉了。一個(gè)沒(méi)有大氣的行星是很難有生命的，首先白天太陽(yáng)會(huì )直接照射到表面，溫度非常高而且紫外線(xiàn)非常強，沒(méi)有大氣的話(huà)就沒(méi)法阻擋一些高能粒子對它表面上的生命進(jìn)行轟擊；到了夜晚，由于沒(méi)有大氣，產(chǎn)生溫室效應，散熱又散得太快，變得非常冷。
地球繞太陽(yáng)的公轉軌道，幾乎是圓軌道，地球繞太陽(yáng)轉一圈，離太陽(yáng)最近、最遠的兩個(gè)點(diǎn)的距離只差1%，這就使得地球差不多是整個(gè)軌道周期上都在可居住帶。假如這是個(gè)非常橢圓的軌道，有些地方離太陽(yáng)非常遠，有些非常近，那么在繞日一周的軌道周期當中，就不可能每一個(gè)點(diǎn)都在可居住帶上，也就是說(shuō)不可能時(shí)常保持一個(gè)很合適的溫度。地球上溫度比較穩定，就是圓軌道造成的。
另外地球有自轉。地球的自轉周期是很好的，24小時(shí)轉一圈，使得東西兩半球都有機會(huì )被太陽(yáng)曬著(zhù)，溫度不會(huì )差太多。要是沒(méi)有這個(gè)自轉的話(huà)，地球就是個(gè)陰陽(yáng)球，對著(zhù)太陽(yáng)那一面非常熱，背著(zhù)太陽(yáng)那一面非常冷。
地球還有個(gè)很合適的軌道傾角。就是說(shuō)地球的自轉軸跟地球繞太陽(yáng)的公轉軸之間有一個(gè)夾角，差不多二十三度多一點(diǎn)，我們叫它黃赤交角。這個(gè)是什么意思呢？就是地球有半年的時(shí)間太陽(yáng)是處在北半球，另外半年時(shí)間在南半球。有些行星的交角，比方說(shuō)天王星有97度，就沒(méi)有這種好條件了。
地球還有合適的密度。地球是一個(gè)巖石型的行星，而木星是一個(gè)氣體型的行星。地球的平均密度是五克左右每立方厘米，這個(gè)密度差不多是巖石的兩倍，人可以行走，可以蓋房子，修鐵路。而木星的密度是0.69克，比水的密度還低，所以你不可能設想在木星上蓋房子，人也站不住。
另外，地球有磁場(chǎng)。指南針發(fā)明出來(lái)，可以指向，但磁場(chǎng)不僅是用來(lái)指向的。太陽(yáng)雖然會(huì )送來(lái)光和熱，但是它也發(fā)出一些高能粒子。大家知道，高能粒子對身體是有傷害的，你不能夠天天去照X光，而比X射線(xiàn)厲害得多得多的射線(xiàn)有的是，比如說(shuō)伽馬射線(xiàn)，還有一些能量很大很高的粒子，如果轟炸到地球上來(lái)，那么生命是很難活下去的。那么靠什么來(lái)保護我們呢？磁場(chǎng)。來(lái)自宇宙的高能的帶電粒子進(jìn)了磁場(chǎng)以后就會(huì )被它拽住，這樣它就進(jìn)不了大氣圈了，它就在地球上空的電離層里面打轉，所以地球磁場(chǎng)是我們的保護層。
■為什么它們是地球的幸運星？
談完地球，我們再談?wù)勊哪负阈?，就是太?yáng)。
很幸運我們的太陽(yáng)每天照耀地球，它的質(zhì)量也是不大不小，發(fā)出的熱量不大也不小，上帝造物就造得這么靈巧。大概是在135億年以前宇宙開(kāi)始大爆炸，然后就慢慢演化，大概到了最后的五億年才開(kāi)始有生命的繁衍，也就是說(shuō)，太陽(yáng)誕生四十五億年，基本上沒(méi)有生命活動(dòng)，是最后五億年生命活動(dòng)才開(kāi)始。從原初生命演化到今天的人類(lèi)，也差不多花了五億年時(shí)間。我們今天是很幸運地生活在這樣一個(gè)質(zhì)量剛好的太陽(yáng)周?chē)?/p>
要想使地球永遠處在可居住帶的溫度，除了我剛才講的，還有一條很重要的原因，就是給你光照的那個(gè)太陽(yáng)它不能亂變。如果它一會(huì )兒熱一會(huì )兒冷，那么盡管還是這個(gè)距離，地球上的溫度也照樣會(huì )發(fā)生劇烈的變化。而像太陽(yáng)這種溫度不變的恒星實(shí)際上不多，大概至少有一半的恒星，溫度是經(jīng)常變化的，而且變得非常激烈。還有，沒(méi)有另外的恒星跟太陽(yáng)在一起，它只有行星，所以叫做單星系統。在宇宙當中，單星大概也只占一半，有50%的恒星是雙星系統甚至三星系統、四星系統。如果太陽(yáng)不是單星而是雙星的話(huà)，它就會(huì )嚴重地影響繞著(zhù)它公轉的一些行星的軌道，如果地球的軌道發(fā)生很大的變化，它就不可能永遠地處在一個(gè)所謂的可居住帶。
地球還有一個(gè)很好的鄰居叫木星，它的質(zhì)量非常大，大概是地球的三百倍，所以外面有什么有害的東西要想來(lái)訪(fǎng)問(wèn)地球，首先要過(guò)木星這一關(guān)，比如說(shuō)粒子硬是打進(jìn)來(lái)，如果沒(méi)有木星擋一下，就跟踢足球沒(méi)有守門(mén)員一樣，球一下就踢到你的門(mén)里去了。
另外還有月亮對地球的作用。月亮有潮汐力，它起到一個(gè)攪拌器的作用，使潮水在整個(gè)地球里面晃來(lái)晃去，所以海洋里的養分都非常的均勻。
■為什么找不到像地球一樣的行星？
我們人類(lèi)為什么能夠在地球這樣一個(gè)美麗的家園里面生存繁衍？它確實(shí)給我們一個(gè)非常好的生活環(huán)境?？墒怯钪娈斨杏惺亩畏絺€(gè)太陽(yáng)，所以人類(lèi)就會(huì )想，盡管地球這么完美，難道就沒(méi)有第二個(gè)地球嗎？所以人類(lèi)就踏上了尋找第二個(gè)地球的歷程，希望找到自己的鄰居，那么我講一講人類(lèi)尋找自己鄰居的活動(dòng)。
形象地說(shuō)，我們向外星發(fā)過(guò)名片，打過(guò)電報，也收聽(tīng)過(guò)廣播，結果這些手段到目前為止可以說(shuō)沒(méi)有任何結果。那么經(jīng)過(guò)這樣一個(gè)歷程之后，科學(xué)家想，我們可能要更加腳踏實(shí)地地來(lái)做這件事情。怎么辦呢？我們知道，如果有地外生命，那一定是發(fā)生在行星上，而不會(huì )發(fā)生在恒星上，所以第一件事情就是應該去尋找太陽(yáng)系以外，別的恒星有沒(méi)有像地球一樣的行星，就是尋找太陽(yáng)系外的類(lèi)地行星，開(kāi)普勒-22b現在被認為是最像地球的一顆行星了。
尋找太陽(yáng)系外的類(lèi)地行星，實(shí)際上也就最近二十年的事情。第一次發(fā)生在1995年，一個(gè)瑞士的天文學(xué)家小組在天鵝座發(fā)現了一顆星，距離我們48光年，邵逸夫天文學(xué)獎就獎給了發(fā)現這顆星的兩個(gè)科學(xué)家，瑞士的天文學(xué)家米歇爾·麥耶爾、美國加州大學(xué)伯克利分校的杰弗里·馬西。
自從有了第一個(gè)發(fā)現，后面的就很容易了，不斷有報告，又發(fā)現了太陽(yáng)系以外別的恒星系統有行星。但是，把這些發(fā)現考察一下就發(fā)現，沒(méi)有一個(gè)像我們的地球，它們更像什么？更像木星。體積很大，質(zhì)量很大，找不到像地球這樣一個(gè)大小的行星。那么這是不是意味著(zhù)宇宙當中，除了地球以外其他的行星都是像木星那樣呢？答案是——可能這個(gè)跟觀(guān)測的手段有關(guān)系。在遙遠的地方發(fā)現一個(gè)行星，總是個(gè)頭大的容易發(fā)現，找不到像地球這樣質(zhì)量的行星，不意味著(zhù)宇宙當中沒(méi)有這樣的行星，而是你現在的探測手段還不夠先進(jìn)。
■尋找系外行星有什么方法？
我給大家介紹一下現在我們尋找系外行星的一些最常用的方法。
一種辦法是直接去找太陽(yáng)系以外的地球，但是這個(gè)太困難了。為什么呢？
第一個(gè)困難地球跟太陽(yáng)離得太近了。它們之間的距離是一億五千萬(wàn)公里，看上去很大，可是如果你把它擺到一百光年那么遠的地方，那么這兩個(gè)之間的角距離（由一定點(diǎn)到兩物體之間所量度的夾角）就非常小了。像地球跟太陽(yáng)這樣的一對天體，把它放到天狼星那么遠的地方，它們之間張角只有0.35角秒，如果放到天津四（天鵝座α星，已知的最明亮的恒星之一）那么遠，那張角只有千分之一角秒了，挨得太近。一角秒是什么概念呢？我們說(shuō)兩個(gè)天體一個(gè)角秒，就相當于你把一顆芝麻放到200米遠的地方，你看這顆芝麻就是一個(gè)角秒，非常小。
第二個(gè)困難，地球跟太陽(yáng)亮度差得很大，差了大概一千億倍，然后挨得又那么近。你怎么看得見(jiàn)它？在很亮很亮的恒星周?chē)?，用望遠鏡直接去找這么個(gè)離它很近，像地球一樣的東西，當然是非常非常困難。
第三個(gè)困難呢？除了太近、反差太大，另外還太暗，用星等的概念，差不多是叫三十等。你們看天上的星星不用任何望遠鏡，肉眼可以看到的是六等星，星等數每增加1，大約暗了2.5倍，那么三十等星差不多是十的十次方，直接的辦法不能看，所以現在只能找間接的辦法。
間接的方法就是說(shuō)，我不是去直接看它的行星，而是看它的母星。比如說(shuō)把太陽(yáng)跟地球放在100光年遠的地方，我不是去直接看地球，而是去觀(guān)測太陽(yáng)，看看太陽(yáng)會(huì )發(fā)生什么變化，通過(guò)這個(gè)變化來(lái)推測它邊上有個(gè)地球。有些什么間接方法呢？
因為恒星跟它的行星都是繞著(zhù)一個(gè)公共的質(zhì)量中心在轉，這個(gè)質(zhì)量中心的位置跟恒星的中心位置挨得非常近，但不是完全等同的，所以看上去就是地球繞著(zhù)太陽(yáng)轉。所以如果你去觀(guān)測這個(gè)恒星的話(huà)，它在天上不是不動(dòng)的，是在轉圈，只是圈的半徑很小。也就是說(shuō)，由于有行星的存在，恒星會(huì )晃動(dòng)。
還有一個(gè)辦法，在這個(gè)晃動(dòng)過(guò)程當中，光會(huì )時(shí)而朝著(zhù)我們過(guò)來(lái)，時(shí)而遠離我們而去。在物理上有個(gè)原理，當光朝著(zhù)我們飛來(lái)的時(shí)候，顏色會(huì )變藍，離我們遠去的時(shí)候，顏色會(huì )變紅，這個(gè)叫做多普勒效應。一會(huì )兒變藍顏色，一會(huì )兒變紅顏色，那么通過(guò)測量顏色的變化，可以算它的速度，通過(guò)算速度，就可以解出來(lái)它上面有沒(méi)有行星。1995年發(fā)現了第一顆太陽(yáng)系外的行星，就是用這種方法發(fā)現的。
第三種辦法是遮擋。如果有一個(gè)地球繞著(zhù)太陽(yáng)轉，它時(shí)而會(huì )從太陽(yáng)前面走過(guò)去，時(shí)而會(huì )從背面轉過(guò)去，當從前面走過(guò)去的時(shí)候，太陽(yáng)光就會(huì )有凹坑，相當于日食月食，這個(gè)坑的大小就跟這個(gè)行星的大小有關(guān)系。行星越大，這個(gè)坑就越深，行星越小，坑就越淺。
■為什么“開(kāi)普勒”能發(fā)現類(lèi)地行星？
間接方法的尋找類(lèi)地行星，雖然比直接方法容易一點(diǎn)，但也是非常困難。首先就是我們剛才講的，母星和行星是繞著(zhù)公共質(zhì)心在轉，那么這個(gè)質(zhì)心是跟質(zhì)量成反比，晃動(dòng)量跟距離成反比。假如地球跟太陽(yáng)的質(zhì)量差三十萬(wàn)倍，就意味著(zhù)太陽(yáng)在天空當中，由于地球的存在繞著(zhù)中心晃動(dòng)的半徑，是地球繞太陽(yáng)半徑的三十萬(wàn)分之一，這樣一個(gè)距離，如果你把它擺到天狼星那么遠，它晃動(dòng)的角度大小只有百萬(wàn)分之一角秒。這是什么概念呢？相當于從地球上去看，有一個(gè)人在月球上拿一枚硬幣，這個(gè)硬幣是邊朝著(zhù)你的，從硬幣的正面轉到硬幣的反面，對地球的張角就是百萬(wàn)分之一角秒。這么微小的晃動(dòng)，要能夠探測出來(lái)，在技術(shù)上不是很容易的事情。
其他困難也很多，再特別講一講遮擋。如果繞著(zhù)太陽(yáng)這種恒星轉的，是一個(gè)木星那樣個(gè)頭比較大的行星，它把恒星的光擋掉多少呢？擋掉1%。它從前面走過(guò)去，太陽(yáng)光路會(huì )暗1%，如果是像地球這么小的行星，那么擋光只擋了萬(wàn)分之一。
所以尋找地外行星是個(gè)非常高技術(shù)的活動(dòng)，可以說(shuō)需要用到當今人類(lèi)技術(shù)發(fā)展最尖端的部分?，F在講一講“開(kāi)普勒”計劃。2009年，美國宇航局發(fā)射了第一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于尋找類(lèi)地行星的空間望遠鏡——“開(kāi)普勒”（Kepler）。為什么“開(kāi)普勒”能夠發(fā)現22b這顆星？用的方法就是我剛才講的第三種間接方法，去測當一個(gè)行星經(jīng)過(guò)它的恒星前面的時(shí)候，會(huì )擋掉多少光。如果要測地球這樣大小的東西，擋掉的光是萬(wàn)分之一，怎么樣把萬(wàn)分之一光的變換測出來(lái)？這就是“開(kāi)普勒”設計的時(shí)候要解決的一個(gè)問(wèn)題。
我們知道，沒(méi)有一個(gè)光源發(fā)出來(lái)的光是不變化的，我們用噪聲來(lái)統計這種變化。用光子來(lái)說(shuō)，它平均每秒鐘發(fā)出一百個(gè)光子，但它不是每時(shí)每刻都有一百個(gè)光子出來(lái)，一會(huì )兒多一會(huì )兒少，這就是噪聲。它一會(huì )兒會(huì )發(fā)出來(lái)九十個(gè)光子，一會(huì )兒發(fā)出來(lái)一百一十個(gè)光子，本身就有起伏。十個(gè)光子跟一百個(gè)光子之比是十分之一。你現在想去測萬(wàn)分之一起伏的東西，而光本身起伏是在十分之一，這樣萬(wàn)分之一的變化早就被淹沒(méi)了，所以第一件事情要解決的就是，測到的光本身的起伏要小于萬(wàn)分之一。那怎么辦呢？就要接收大量的光子。那么計算一下，要能接收多達一億個(gè)光子，才能使那種起伏被檢測出來(lái)后不會(huì )淹沒(méi)在統計噪聲里頭。這就是“開(kāi)普勒”設計的第一個(gè)困難：怎么樣去把星體的十的八次方的光子收過(guò)來(lái)？
那么“開(kāi)普勒”么解決這個(gè)問(wèn)題的？第一，光源要足夠亮。很暗的光源不可能提供這么多光子，所以這個(gè)望遠鏡只觀(guān)測比十二等星要亮的星，暗星我不觀(guān)測，亮于十二等星才有可能提供這么多光子。第二個(gè)，望遠鏡的口徑要足夠大。所以就用口徑將近一米的望遠鏡，用非常靈敏的CCD做探測器，把光學(xué)影像轉為數字信號，還有一些其他的尖端技術(shù)，才有可能消除噪聲，把萬(wàn)分之一的變化檢測出來(lái)。
■人類(lèi)會(huì )在200年內滅亡嗎？
一般來(lái)說(shuō)現在我們要去想尋找有生命的行星分這么幾個(gè)步驟：
第一步，要找到太陽(yáng)系以外的行星，然后你要看到它的質(zhì)量、溫度、密度是不是合適。然后還要去測它有沒(méi)有大氣。有了大氣以后還要去測它有沒(méi)有生命。目前為止有什么辦法去判斷它有沒(méi)有生命呢？那就看大氣里面的分子了，比如大氣里面有沒(méi)有水分子，有沒(méi)有像甲烷這種東西。為什么要測甲烷呢？因為如果有生命的話(huà)，它有排泄物，排泄物里面就有這個(gè)甲烷，那就說(shuō)明它上面有生命活動(dòng)，有新陳代謝，有排泄糞便。還有二氧化碳，這些都是生命活動(dòng)當中會(huì )產(chǎn)生出來(lái)的東西。完成這么多步驟談何容易！
要有氧，要有臭氧，要有甲烷，要有水，就是這些分子在地球里面起生命作用的?？梢员容^一下大氣情況，地球大氣跟火星大氣、跟金星大氣都不一樣，所以觀(guān)測行星的大氣的時(shí)候，要能夠測到這些分子帶，才有可能來(lái)說(shuō)明上面有沒(méi)有生命。
在茫茫的宇宙當中尋找類(lèi)似地球這樣適合生命繁衍的行星是十分艱難的，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類(lèi)不屈不撓的精神使得我們正在不斷地接近這個(gè)目標，但是即使找到了這樣的星球，最近也是離我們幾個(gè)光年，要遷移地球上的人類(lèi)幾乎不可能，少數去幾個(gè)人可能，要把地球上幾十億人都搬過(guò)去是不太可能的。所以有幸生活在地球上的世世代代的臣民們，應當共同擔負起保護地球的神圣責任，讓宇宙中人類(lèi)這個(gè)高貴的物種多延續幾代。人類(lèi)科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步把地球資源轉變?yōu)榻裉斓奈拿?，與此同時(shí)也在不斷消耗地球的資源，所以人口的增長(cháng)以及科技發(fā)展，像汽車(chē)、飛機、冰箱、空調等等，大幅地加速了人類(lèi)消耗地球資源和排放廢品廢氣，所以人類(lèi)的毀滅不是天文的原因，不是因為太陽(yáng)死掉而是人類(lèi)自己毀滅自己。
著(zhù)名物理學(xué)家霍金預言，地球上人類(lèi)會(huì )在200年內毀滅，這個(gè)不是聳人聽(tīng)聞。美國廣播網(wǎng)采訪(fǎng)霍金，他認為人類(lèi)要想延續就要遷到別的星球去，我的感覺(jué)是不太可能。2009年美國廣播公司制作過(guò)一部科學(xué)片，叫《地球2100》，這個(gè)科教片里面假想一個(gè)出生在2009年的小女孩到了2100年，目睹了地球上的人類(lèi)如果不改變自己的生活方式，在未來(lái)九十年內如何毀滅自己，很值得大家看一看。
謝謝！
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