外星文明若观测到地球,会认为地球文明有趣吗?

摘要:

北京时间10月23日消息,据国外媒体报道,纵观宇宙,我们可以看到数万亿个星系,每个星系中都有无数颗恒星。地球上的生命不仅繁衍昌盛、复杂多样,还发展出了智慧生命、发明了先进的科技,甚至具备了一定的太空飞行能力。但这些技术都是在近几十年内刚刚出现的,而太空又是如此广袤无垠。

理想中的“地球2号”应当与地球大小相似、质量相似、到恒星的距离也相似。目前我们尚未找到这样的行星,但科学家正在努力估算宇宙中可能有多少类地行星。令人费解的是,如今可用的数据很多,得出的结论却五花八门。

理想中的“地球2号”应当与地球大小相似、质量相似、到恒星的距离也相似。目前我们尚未找到这样的行星,但科学家正在努力估算宇宙中可能有多少类地行星。令人费解的是,如今可用的数据很多,得出的结论却五花八门。

太阳系八大行星的偏心率、以及近日点和远日点之间的差距均有所不同。出现这种结果并没有什么特殊原因,只是由太阳系形成时的初始条件导致的。然而,水星等内侧行星的凌日概率远高于外侧行星。水星每年会发生4次凌日,且出现“三星一线”的概率将近2%;相比之下,外侧行星每次凌日的间隔时间更长,与地球和太阳刚好连成一条直线的概率也更低。

假如有某个外星文明发现了地球,它们会认为地球文明有趣吗?

地球位于太阳系的所谓宜居带中,拥有一层薄薄的大气,因此表面可以维持液态水的存在。火星和金星可能一度也位于宜居带中,但如今金星太热、火星又太冷,均无法让地球生命繁衍生息。

目前,我们寻找系外星系的方法主要有两种:

一是“恒星摆动”探测法:围绕恒星转动的行星会对恒星造成拖曳,因此从观察者的角度来看,恒星会不断振动,帮助科学家确定行星的公转周期和质量(取决于行星轨道朝向的不确定性)。

二是“凌日法”:当行星从恒星前方穿过时,会阻挡恒星发出的一部分光线,因此从观察者的角度来看,恒星的亮度会周期性变暗。

假如有一个足够先进的外星文明从极远处观察地球,并且从它们的方向看来、地球正在从太阳前方穿过,它们就很可能发现地球上存在生命。

图为开普勒行星KOI-64的主要凌日曲线(左)和帮助科学家发现这颗位于宿主恒星后方的系外行星的曲线(右)。光通量的减少使天文学家得以发现行星凌日现象,其它信息则能帮助科学家了解除了行星半径和轨道周期之外的其它信息。

由于光速有限,即使是离我们最近的恒星,收到的地球信号也必定来自于几年前、甚至几十年前。银河系中离地球较远的恒星只能观测到地球几百年前、甚至几千年前的形貌。而如果观察者位于某个遥远的星系,它们见到的地球更是要追溯到几百万年、甚至数十亿年前。然而,外星人可以分析地球凌日时大气层的谱线,因此即使相隔数十亿光年,也能从中找到地球存在生命的痕迹。

当地球(或任何行星)从太阳前方穿过时,照射到地球表面的阳光便会被挡住,导致太阳的光通量下降;没有照射到地球的光线则会继续前进,从恒星传递到观察者眼中,成为背景光;至于那些只接触到了地球大气、并未接触地表的阳光,它们大部分会径直穿过,但还有一部分会被大气中的原子与分子吸收。这些原子和分子会被吸收的光线激发,在大气光谱中形成吸收谱线或发射谱线。科学家在系外行星大气层中寻找氢原子、氦原子、甚至水分子时,已经运用了这种技术。

一颗行星从恒星前方穿过时,部分光线并不会被行星阻挡,反而会从大气层中透过,形成可以被精密天文台探测到的吸收谱线或发射谱线。若大气中存在有机分子或大量氧分子,未来也许就能被我们探测到。重要的是,我们不仅要考虑已知的生命痕迹,还要设想外星生命可能是什么模样。

假如某个外星文明在过去20亿至25亿年间曾观察过地球,就会发现地球大气主要由氮气构成,但也包含大量氧分子。水蒸气和氩气在大气中各占1%,此外还有少量二氧化碳、甲烷、臭氧及其它化合物。

在我们寻找系外行星的过程中,这样的气体组成被视为该星球存在生命的重要标志。我们知道有几种无机途径可以在行星上产生大量氧气,但要达到5%以上的比例,在没有生命的情况下很难实现。因此,假如有某个外星文明观测到了地球的凌日过程,哪怕是在恐龙时代,地球在它们眼中也会显得极其有趣。

虽然我们并不清楚地球历史上各个年代的确切大气组成,但在25亿年前,大气中含有大量甲烷,几乎没有氧气。氧气出现后,甲烷随之消失,地球也进入了冰河时代。但这些大气变化是由生物过程推动的。假如能探测到某颗星球的大气存在被生物改动过的痕迹,就说明该星球上或许存在外星生命。

这是一种搜寻潜在宜居星球的好方法,但只有当被观测行星、该行星围绕的恒星、以及观察者所在行星刚好排成一条直线时,该方法才能发挥作用。正在修建的詹姆斯·韦伯望远镜便计划利用这种方法、在地球附近的凌日行星上寻找生命存在的迹象。

然而,如果仅依靠凌日法,我们注定会错过发现大多数宜居星球的机会。哪怕地球离系外行星与系外恒星的连线只偏了一丁点儿,也无法观察到凌日现象,我们也就无从探测该行星的大气组成。但也不必为此绝望,因为我们还有另一种不需要依赖行星凌日的技术,名叫直接成像法。

这张哈勃望远镜拍摄的可见光照片展现了最近发现的行星Fomalhaut b围绕其中央恒星转动的过程。这是我们首次在可见光下观察到一颗系外行星。但要想发现系外卫星、或智慧外星生命存在的迹象,还需要更先进的直接成像技术。

利用强大的哈勃望远镜(以及后续发明的地面自适应光学技术),我们首次得以直接拍摄系外行星的图像,并借此观察到这些行星围绕恒星旋转的过程。利用日冕仪或遮星仪等仪器,我们可以挡住恒星发出的光线,仅拍摄我们感兴趣的行星的照片。

只要我们愿意等上足够久,便可以从区区一个像素中判断出某颗星球是否宜居,还能寻找该星球上是否有地球的一些典型特征。通过直接拍摄某颗行星的照片、并记录不同时刻抵达的光线波长,我们可以了解到该星球的诸多特性。例如,通过行星的短周期变化和反复出现的光谱特征,我们可以计算出该行星的轨道周期;从行星的颜色中,我们可以判断这颗行星表面水、陆地与冰的面积占比,并判断行星上空是否存在云层。而如果观测时间超过一年,我们还可以进一步了解该行星的轨道性质、判断该行星地表植被是否存在季节性变化、甚至判断该行星在夜晚是否会出现人造光源。

“遮星”技术概念让我们在下一个10年中便可实现系外行星的直接成像。这张概念图描绘了一台运用该技术的望远镜。挡住恒星的光线后,我们便可更好地拍摄围绕该恒星转动的行星。

对于100光年以内的观察者而言,只要运用足够大、性能足够优良的望远镜,便可观测到微弱的人造光。通过发明人造光源,人类成功击溃了黑暗,堪称一项伟大的技术成就。但与此同时,动植物及其它生物数十亿年来适应的天然黑暗环境正在逐渐流失,算是我们取得这一成就所付出的代价。

然而,我们通常不会考虑到这些人造光源带来的另一种好处:人类使地球的天然外观发生了改变,因此只要有某个智慧程度足够高的外星物种观察到地球,便可推断出地球上存在一种有能力改变星球的物种。当然,这并不算板上钉钉的证据,但这种迹象是一种强烈的暗示,说明该行星不仅宜居、而且已经出现了一种掌握先进技术的智慧生命。

这张合成图显示了地球各地区夜间的人造光照明效果。该图在1994至1995年间收集的数据基础上制作而成,在此之后的25年间,人类夜间在地球上点亮的光源增加了将近两倍。我们已经征服了黑夜,但也付出了巨大的环境代价。利用足够先进的望远镜,外星文明便可探测到这些人造光,并据此推测出地球上存在智慧生命。

由于我们从未在宇宙中找到过其它生命,我们只能推测某颗宜居行星上出现生命的概率有多大。银河系中也许有数十亿颗拥有生命的行星,也可能只有地球一个;也许很多行星上都有延续了数百万年、甚至数十亿年的生命,也可能地球便是生命的唯一归宿;银河系中也许有成千上万具备太空飞行能力的外星物种,也可能人类便是整个可见宇宙中最先进的生物。在真正发现外星生物之前,我们只能不断猜测、不断添加限制条件。

我们在搜寻外星文明时,主要是寻找一些特定信号,如大气组成、地表特征、卫星和飞船、甚至是特意发出的FM射电波等等。而地球发出的这些信号也可能使我们被先进的地外文明探测到。哪怕相距极远,外星生命也能判断出地球是一颗宜居星球。但必须离得足够近、能够观察到地球相对较新的状态,外星生命才能发现地球上生活着一类掌握了先进科技的物种。

左侧为DSCOVR-EPIC照相机拍摄的地球照片。右侧为同一张照片像素降低到3×3的效果,类似于研究人员在未来观察系外行星时见到的情况。

围绕恒星HR 8799旋转的已知有四颗行星,每颗质量都胜过木星。这些行星都是在七年间利用直接成像技术发现的,其公转周期从数十年到数百年不等。就像太阳系一样,内侧行星的公转速度更快,外侧行星则更慢,这也符合引力规律。借助WST、GMT和ELT等下一代望远镜,我们或许能对附近的类地行星或超级类地行星开展进一步侦测。

尽管宇宙中的大部分星系都位于数十亿光年之外,但就在地球方圆几百光年之内,也分布着无数颗恒星。这就意味着成百上千万颗行星、成百上千万存在生命的可能性、甚至成百上千万发现智慧外星生命的可能性。哪怕其中有一颗星球上存在生命,遥远的空间距离也无法阻止我们对其展开研究,就像它们也会对我们展开研究一样。

光速或许是一大限制因素,但假以时日,人类对地球的影响迟早会被某个星系中的某个外星物种注意到。双方也许无法很快进行交流,但哪怕只发现一种外星生命,都会彻底改变我们对“存在”的理解。真希望那一天赶紧到来!

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