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恒星 如何尋找另一個(gè)地球

恒星 如何尋找另一個(gè)地球
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每每凝視漆黑無(wú)垠的夜空，人們都會(huì)想知道：在某個(gè)地方，是否有另一個(gè)像我們這樣的世界？借助我們和其他天文學(xué)家正在開(kāi)發(fā)的新型傳感器，我們可能會(huì)是第一代得到肯定答案的人，最快可能在今年找到關(guān)于另一個(gè)地球的最早線(xiàn)索。
到目前為止，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆系外行星，其中約有24顆大小與地球大致相當(dāng)，它們的軌道位于其恒星的“宜居帶”內(nèi)，那里的水可能以液態(tài)形式存在于表面，但是這些行星中沒(méi)有像地球一樣的巖石行星，也沒(méi)有繞著太陽(yáng)這樣的恒星轉(zhuǎn)。盡管如此，我們?nèi)杂谐浞值睦碛善诖煳膶W(xué)家們能在銀河系附近發(fā)現(xiàn)這樣一顆行星。
恒星 如何尋找另一個(gè)地球
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那么，為什么他們還沒(méi)找到呢？我們可以用3個(gè)詞來(lái)概括其中的困難：分辨率、對(duì)比度和質(zhì)量。試想一下從幾百光年以外的地方發(fā)現(xiàn)地球。你需要一臺(tái)巨大的望遠(yuǎn)鏡來(lái)分辨出距離太陽(yáng)1.5億公里（0.000016光年）的一個(gè)藍(lán)色小點(diǎn)，而地球的亮度不到太陽(yáng)的十億分之一，因此在太陽(yáng)的強(qiáng)光下它幾乎無(wú)法辨別。
正因?yàn)槿绱耍壳暗奶煳呐_(tái)乃至正在建造的下一代太空望遠(yuǎn)鏡，都無(wú)法拍到一張類(lèi)似地球的系外行星的照片。即使可以實(shí)現(xiàn)這樣的成像，我們也只能測(cè)量一顆系外行星的大小和軌道運(yùn)行周期，無(wú)法測(cè)量它的質(zhì)量。不知道質(zhì)量，我們就無(wú)法確定它是像地球一樣的巖石行星，還是像木星一樣的氣體行星。
因此，天文學(xué)家將首先利用光譜學(xué)來(lái)探測(cè)另一個(gè)地球，光譜學(xué)是20世紀(jì)90年代中期以來(lái)一直用于探測(cè)系外行星的一種手段。繞軌道運(yùn)行的系外行星的引力會(huì)使它的恒星發(fā)生輕微的“擺動(dòng)”，從而導(dǎo)致恒星光譜相應(yīng)地發(fā)生輕微而緩慢的變化。對(duì)于一顆類(lèi)地行星來(lái)說(shuō)，這種擺動(dòng)非常細(xì)微，以至于我們必須找到頻移，測(cè)量落在硅探測(cè)器（位于一間超級(jí)穩(wěn)定的真空室的中心）上的星光彩虹圖案間幾個(gè)原子的距離。
我們賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究小組隸屬于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）資助的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，我們制造了一臺(tái)名為“多普勒光譜NN系外行星探索”（NEID）的儀器，將其部署在亞利桑那州，用于搜尋北半球天空。（NEID這個(gè)名字發(fā)音為“NOO-id”，源于一個(gè)美國(guó)印第安語(yǔ)單詞，意為“去看”。）耶魯大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)制造了第二種儀器，叫做極端精密光譜儀（EXPRES），它也將在亞利桑那州運(yùn)行。與此同時(shí)，由日內(nèi)瓦大學(xué)和歐洲南方天文臺(tái)牽頭的第三個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在智利調(diào)試一臺(tái)名為“巖石系外行星和穩(wěn)定光譜觀(guān)測(cè)的中階梯光譜儀”（ESPRESSO）的儀器，該儀器用于搜尋南半球天空。
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這3個(gè)小組正在以新穎的方式整合獲得諾貝爾獎(jiǎng)的技術(shù)，以創(chuàng)造出飛米級(jí)精度的尖端數(shù)字光譜儀。他們的共同目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)有史以來(lái)最精確的恒星運(yùn)動(dòng)測(cè)量。探索難以尋找的“地球2.0”的競(jìng)賽正在進(jìn)行。
利用光譜學(xué)來(lái)發(fā)現(xiàn)系外行星引起的擺動(dòng)是一個(gè)老辦法，其基本原理也很容易理解。地球在巨大的軌道上圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它會(huì)把質(zhì)量是它30多萬(wàn)倍的太陽(yáng)拉入一個(gè)更小的“反軌道”，在這個(gè)軌道上，太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)速度只有每秒10厘米，大約相當(dāng)于一只箱龜?shù)乃俣取?br />即使如此緩慢的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)光波長(zhǎng)發(fā)生偏移（不到十億分之一），在它運(yùn)動(dòng)方向上向著更短、更藍(lán)的波長(zhǎng)移動(dòng)，反方向上則向更長(zhǎng)、更紅的波長(zhǎng)移動(dòng)。系外行星也會(huì)導(dǎo)致其宿主恒星發(fā)出的光產(chǎn)生類(lèi)似的多普勒頻移。行星越重，多普勒頻移越大，該行星更容易被探測(cè)到。
1992年，射電天文學(xué)家在觀(guān)察名為“脈沖星”的奇怪物體時(shí)，利用它們發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的時(shí)間，推斷它們是系外行星的宿主。1995年，日內(nèi)瓦大學(xué)的米歇爾?馬約爾（Michel Mayor）和迪迪埃?奎洛茲（Didier Queloz）利用普通恒星發(fā)出的光所產(chǎn)生的多普勒擺動(dòng)來(lái)尋找繞軌道運(yùn)行的同伴時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一顆每4天繞著恒星飛馬座51運(yùn)行一次的巨大行星。
憑借這一意外發(fā)現(xiàn)，馬約爾和奎洛茲獲得了2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，同時(shí)打開(kāi)了相關(guān)研究的大門(mén)。自那之后，人們利用“多普勒擺動(dòng)”方法探測(cè)到了800多顆系外行星，它們幾乎都比地球重。
到目前為止，幾乎所有已知的、大小和質(zhì)量與地球相當(dāng)或更小的系外行星都是用不同技術(shù)發(fā)現(xiàn)的。這些行星繞軌道運(yùn)行時(shí)，會(huì)偶然運(yùn)行到其恒星與我們的望遠(yuǎn)鏡之間，導(dǎo)致恒星的表觀(guān)亮度在一段時(shí)間內(nèi)略微變暗。天文學(xué)家將這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“凌星”。通過(guò)凌星可以得出行星的直徑，直徑和擺動(dòng)將揭示行星的質(zhì)量和密度。

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