仰望璀璨的星空 ， 广袤的银河系也只是宇宙一角 。 在地球之外 ， 我们有可能寻找到另一个宜居的星球 。 通过凌星观测 ， 开普勒成为行星猎手 ， 为我们捕获海量的数据 。 在太阳系寻找新地球可能吗？应该用哪些办法寻找新地球？适合生命存在的地方需要有哪些条件？行星探索的新角度又是什么？
出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为国家天文台李海宁演讲实录：
我来自国家天文台 。 你们知不知道天文台的老师都是做什么的呀？
我要告诉你们 ， 我们平时关注的东西 ， 都在地球大气以外的世界 。
今天我想做一件事情 ， 就是想带领同学们 ， 在银河系里面来一场历险 。
我们历险只有一个目标 ， 就是寻找新地球 。
在太阳系寻找新地球
不知道有没有同学看过《流浪地球》这个电影 。
这个电影讲的事情非常简单 ， 当有一天我们的太阳不再像今天这样非常温暖 ， 它开始变成一个庞然大物 ， 演变成红巨星的时候 ， 它会怎么样 。
它会开始吞噬地球 ， 地球就已经不能在太阳系里生存了 。
这个时候人类想到了一个办法 ， 他们要把地球带走 ， 带到另外一个太阳那去 。
可是同学们觉得 ， 用人类的力量把地球带走这件事情容易吗？
不容易 ， 非常不容易 。
而且我可以告诉你们 ， 科学家发现这里面会有很多问题和困难 ， 但是我们可以换一种思路来想这个问题 。
刚才我们说的《流浪地球》 ， 是建立在一个假设上的：它假定地球是这个宇宙当中唯一一个人类可以生存的星球 。 你们觉得这是真的吗？
不是 。 一定会有另外一个星球也适合生命生存 ， 或者适合人类生存 。
所以今天我们要做的事情 ， 就是来找到它 ， 我们要去寻找这个新地球 。
寻找新地球 ， 我们当然要离开地球往外面走 ， 所以让我们先在太阳系里找一找 。
如果我们离开地球 ， 朝着远离太阳的方向走 ， 我们第一个会遇到火星 。
火星看起来跟地球有很多地方都非常相似 ， 所以我们把火星叫做地球的姐妹星球 。
经常会有人问一个问题 ， 火星上到底有没有火星人啊？
在回答这个问题之前 ， 我觉得我们先要回答另外一个问题 。 如果你想在一个星球上寻找生命 ， 或者寻找人 ， 你首先要找的是什么？
我们要在这个星球上找水 。
那么火星上有水吗？有 。
现在看到的这些图 ， 有很多证据 。
比如有洪水流过的印记 ， 还有古代海洋的遗迹 ， 还有像泥地上面下完雨 ， 干了之后泼溅状的坑 。
它都表明一件事情 ， 就是火星上曾经有水 。
那么现在的火星上有水吗？
现在的火星上也是有水的 ， 不过它不是液态的 ， 而是水冰 。
以前有一些探测器在火星上挖 ， 从地上挖出来一些水冰 ， 白色的水冰经过很短的时间之后变少了 ， 它表明什么呀？
这些冰升华了 ， 说明火星上面温度很低 ， 所以它只有冰的形状 。 还有就是它非常的干燥 ， 所以很快这些冰就升华成水蒸气了 。
我们经常在各种电影和小说里面看到 ， 如果大家想要描述或者假装我们在火星上 ， 可以在地球上找到一片非常荒芜的戈壁 。
站在上面 ， 可以想象你就在火星上 。
我想给大家做一个小小的测试 ， 现在你们看见的这两幅图 ， 有一个是地球上的戈壁 ， 有一个是火星上的地面 ， 你们能看出来哪一个是地球吗？
我想问一下 ， 那些说上面是地球的同学 ， 是怎么得出这个结论的 。
因为在上面的图上 ， 我们看见了绿色的植物 ， 这就表明这个地方是有水 ， 而且是有生命存在的 。
我们可以看到 ， 底下的火星真的非常荒芜 ， 寸草不生 ， 所以我们还是不要在这待着了 。
我们离开火星的下一站 ， 要去哪？
下一个就是非常庞大的木星了 ， 木星有一个很大的自己的王国 ， 它有很多的卫星 ， 这展示了最大的 ， 也是最漂亮的四颗卫星 。
其中有一颗是科学家非常喜欢的 ， 就是木卫二 ， 我们喜欢它的原因是什么？
是因为你能看见 ， 在这颗星球的表面有一层冰层 。
通常来说 ， 我们看见冰层 ， 就表明这个冰层的下面有水 ， 或者有海洋 ， 不过 ， 现在我们还不能来断定这件事情 。
现在科学家正在紧锣密鼓地组织一个叫做欧罗巴快帆的任务 。
它的主要目的就是未来发现木卫二的冰层底下的世界到底是什么样的 ， 我们可以等一等这个任务的新结果 。
我们现在离开木卫二 ， 要去下一个星球 ， 土星 。
很神奇的是 ， 我们发现在土星的卫星里面有一颗卫星 ， 跟刚才我们看到的木卫二非常像 ， 就是土卫二 ， 因为土卫二跟木卫二一样 ， 表面也有冰层 。
但是你们有没有发现土卫二跟木卫二有一个区别？
我们现在注意看这个图的下面 ， 有喷泉 ， 这个喷泉就表明 ， 在冰层的底下是真的有水的 。
而且 ， 卡西尼探测器在喷泉的区域飞了好多次 ， 它最后收集的信息告诉我们 ， 水蒸气里面不仅有水 ， 而且里面还有有机物 。
最重要的是这里面有盐 ， 而且盐分的含量跟地球上海洋里的盐分含量非常相近 。
所以可以说 ， 现在土卫二是太阳系里面大家非常关心的 ， 有可能有生命物质的星球 。
当然 ， 现在你要给科学家一些时间 ， 他们在设计一些机器人 ， 以后要钻到冰层底下去一探究竟 。
从现在我们了解的情况来看 ， 在太阳系里面 ， 地球目前还是独一无二的 。
但是我们也知道了 ， 宇宙当中有很多星星 ， 肯定会有那么一两颗跟太阳差不多 ， 在那里面也住着一个地球 。
所以， 让我们离开太阳系 ， 去更大的银河系找一找 。
到银河系去“历险”
我们在太阳系里面可以用探测器发射到这个星球上面 ， 去看一看它的地表是什么样子 。
可是太阳系以外的星星离我们那么远 ， 我们怎么来知道一颗行星是不是在那里呢？
天文学家发现 ， 如果在一颗恒星的边上 ， 有一个小星球在围着它转 ， 因为它们之间有引力作用 。
这个小星球就会拖着恒星 ， 一会儿往左 ， 一会儿往右 ， 一会儿往前 ， 一会儿往后 。
这个时候 ， 如果你再看它的颜色 ， 你就会发现这颗星星的颜色有的时候会变红 ， 有的时候会变蓝 ， 发生颜色上的摆动 。
我们通过测量这种摆动 ， 就可以发现这些周围有行星的恒星了 。
所以我们把这个方法叫做摆动法 。
自从科学家发现这个方法以后 ， 很多大望远镜都开始用这个方法来找系外行星 ， 他们找到了吗？
还真的找到了一颗 ， 这是1992年的时候 ， 人类发现的第一颗太阳系外的行星 。
但是它看起来是不是跟我们平时见到的行星系统有点不一样？
因为它围绕的那颗恒星 ， 不是像太阳这样发光发热的恒星 ， 它是一颗脉冲星 。
这颗星会辐射出非常大的能量 ， 但是这个能量对人类来说是没有任何帮助的 ， 而且甚至会伤害我们的身体 。
所以如果这个星球上面有世界 ， 我想可能也是一个跟地狱一样的 ， 非常可怕的世界 。
所以科学家又开始继续寻找 ， 在3年之后 ， 我们终于成功地 ， 第一次在像太阳一样的恒星周围找到了一颗行星 ， 这颗行星的名字叫做飞马座51b 。
如果大家有关注诺贝尔物理学奖 ， 就知道去年地球上最大的科学奖项就颁给了这项发现 。
这个发现在科学上非常重要 ， 但它对我们寻找地外的文明和生命来说 ， 又有什么样的意义呢？
我们来走近看一看 ， 这个行星的个头好像挺大的 ， 它大概有半个木星那么大 ， 所以它比地球大很多 ， 而且它距离太阳非常近 ， 这就表明它表面的温度是很高的 。
所以这是一个非常大又非常热的星球 ， 不太像我们要找的新地球 ， 这就是摆动法一个很大的问题 。
科学家用这个方法找到了200多颗这样的系外行星 ， 我们看见这个黑色的分布图最高的位置 ， 对应的质量大概是一个木星的质量 。
你们知道木星跟地球的质量差多少倍吗？
300倍 ， 差得非常多 。
箭头指的那个小小的空白区域才是我们真正想找的地球大小的行星 ， 所以摆动法找到的行星太大了 ， 那么我们还有其他的办法 ， 去找到我们想要的地球吗？
寻找新地球的方法
我要说的凌星法非常厉害 ， 这也是天文学家在摆动法之后发现的一个寻找系外行星的好办法 。
当一颗恒星的前面有行星在经过的时候 ， 你会发现 ， 就像你用手挡了一下灯或者是手电 ， 光会突然变弱 。
【太阳系|被称为“行星捕手”，它如何帮助我们找到新地球？】所以我们可以通过很小的恒星发出的光变弱的现象来发现 ， 原来这颗恒星的边上有一颗行星 。
做这件事情 ， 首先需要非常精准 ， 而且它需要你很认真地 ， 一直盯着一颗恒星来看 。
2009年 ， 天文学家发射了一枚叫做开普勒的空间望远镜 ， 它做的事情就是在外太空 ， 盯着很小的一片天区 ， 仔细观察里面的每一颗恒星 。
一旦这颗恒星的光出现减弱的趋势 ， 那么它就会作为一个有可能存在行星的系统被挑出来 。
这个开普勒又被我们叫做行星捕手 ， 它的目标就是要帮助我们找到银河系里的新地球 。
它不仅成功了 ， 而且在很短的时间内就成功了 。
它刚开始工作大概几个月的时间 ， 就取得了一个很重要的发现 ， 它发现了太阳系以外的第一个岩石星球 ， 也就是一个跟地球比较像的星球 。
这个星球的名字叫做开普勒-10b ， 无论是从大小 ， 还是重量上来说 ， 这个星球跟地球还真的挺像的 。
但是有一个问题 ， 这个星球围绕的主星比我们的太阳年老70亿岁 。
这个时候的这颗恒星的状态 ， 就跟我们在《流浪地球》里要逃离的太阳的状态非常像 ， 它还适合生命存在吗？
所以这也不是一个特别理想的新地球 ， 但是不管怎么样 ， 这对人类来说是一个很大的鼓舞 ， 它表明开普勒的方法是可以找到我们想要的、和地球差不多的行星的 。
开普勒在过去的几年里 ， 取得了很大的成就 。
这张图 ， 你不用看懂它 ， 你只要知道其中绿色的部分 ， 全部都是用凌星法找到的系外行星 ， 而且里面有一半都是行星捕手 。
开普勒的发现是不是特别厉害？
但是找到了这么多行星 ， 你怎么知道哪一颗上面有可能会有生命呢？
我们有没有什么办法 ， 来判断一颗行星的上面有可能存在生命？
适合生命存在的地方
有一个天文学上经常说的地方 ， 叫宜居带 ， 它是指在一个行星系统里面 ， 有一个特别的区域 ， 这个区域非常适合像人这样的生命来居住 ， 那么它要符合哪些条件？
首先， 因为我们需要液态的水 ， 所以它的温度不能太高 ， 也不能太低 。 这就表明它跟主星的距离一定不能太远 ， 也不能太近 。
另外 ， 它需要有一个固态的表面 ， 这样我们才能把水盛住 ， 不会漏下去 。
还有很重要的一点 ， 它绕转的那颗恒星 ， 必须是一个像太阳一样的恒星 ， 这意味着什么呢？
首先它要给我们光和热 ， 同时它要比较年轻 ， 它有足够长的时间来滋养这颗行星 。
你们有没有想过 ， 假如太阳系中间的太阳突然变成了一个黑洞 ， 也就是说 ， 你用一个完全不透光的黑布把太阳给罩住了 ， 会发生什么事情？
地球上会变黑 。 你们觉得是马上变黑 ， 还是要隔一段时间才会变黑？
即便我们用布把它罩住 ， 它也需要8分钟的时间才能到达地球上 。 因为光从太阳走到地球需要8分钟 。
不过不管怎么样 ， 我们现在要明确 ， 我们要找的行星一定是在这个宜居带上的行星 。
有了宜居带的概念 ， 我们就开始找吧 ， 看看我们能不能在宜居带里面找到这个类地行星 。
我们遇到的第一个星球叫做开普勒-186f ， 它也是人类找到的第一个在太阳系以外存在于宜居带里的类地行星 。
蓝色的这个是地球 ， 有一点灰棕色的就是186f ， 它们是不是看起来大小还挺像的？
而且很重要的是 ， 它的行星有五颗 ， 它位于绿色的宜居带内 ， 所以位置也是非常理想的 。
我们到这个星球上来看一看 ， 这个星球上的世界和地球上有什么不一样 。
在这个星球上看到的世界是红色的 。
因为它绕转的这颗恒星是一颗红矮星 ， 它跟太阳不一样 ， 它发出的光是红色的 ， 所以在这样的红光照耀下 ， 我们在186f上面看见的也是一个红色的世界 。
好看是好看 ， 可是会有一个问题 ， 因为红矮星会发出很多能量比较高的辐射 ， 这些辐射对于人类来说可能是有伤害的 。
所以从某种意义上来说 ， 186f虽然跟地球很像 ， 但它最多只能叫做我们的亲戚 ， 不能说是地球的双胞胎 。
我们再继续往后找一找 ， 发现了一个很有趣的行星系统 ， 这个行星系统是不是看起来跟太阳系很像？
那它和太阳系有什么区别？它有7颗行星 ， 所以天文学家给它取了一个很可爱的名字 ， 叫做葫芦娃系统 。
它有3颗行星位于绿色的宜居带内 ， 所以我们经常开玩笑地说 ， 这个葫芦娃系统有3个水娃 ， 因为这3个行星上是有可能存在液态水的 。
而且现在天文学家的研究发现 ， 其中的老四 ， 就是它们家的四娃 ， 编号为e的这颗行星 ， 它上面是最有可能存在与地球上的海洋系统相同的海洋系统 。
所以它现在也是我们以后移民的一个很重要的候选选项 ， 科学家们正在继续地研究它 。
除了这些行星系统 ， 通过凌星法 ， 我们还发现了很多处于宜居带上的有可能适合生命生存的系外行星 ， 大概有二十几颗 。
那么问题就来了 ， 当我们找到了这些和地球看起来差不多的星球 ， 我们下一步要做什么呢？
探索 。
我们要来探索一下什么呢？这些行星的大气里都有什么？
比如地球大气里有二氧化碳、氧气、氮气、水等等这些跟我们生命的活动非常相关的成分 。
但是我们现在是站在人的角度来看 ， 我们觉得大气里应该有这些成分 ， 才能够让生命存在 。 可是 ， 对于所有生命来说 ， 究竟什么样的条件可以让它们存在？
行星探索的新角度
我换一个角度来问你们 。
现在我假设一个环境 ， 它周围非常寒冷 ， 它本身是一个沸腾的喷泉 ， 温度很高 ， 而且里面流动的不是普通的水 ， 是腐蚀性很强的强酸性的水 。
在这种环境下 ， 有可能有生命存在吗？
这是有可能的 ， 而且它真的就存在在地球上 。 比如美国的黄石公园有一些间歇泉 ， 完全符合这种非常极端恶劣的条件 。
但是科学家在里面发现了很多细菌 ， 还有藻类植物 ， 不仅存在在里面 ， 而且它们还非常茁壮地成长 ， 活得很好 。
这件事情告诉我们 ， 我们在寻找生命适合的条件的时候 ， 可能要把自己想象成一个小细菌 ， 或者一个小藻类植物 ， 去想一想自己需要什么样的环境 。
换一个思路以后就会发现 ， 我们周围的这些星球上面 ， 有很多潜在的适合生命存在的条件 。
比如今年我们有一个大发现 ， 在金星的大气里发现了一种磷化氢的分子 。
磷化氢对于人来说 ， 是有毒的气体 ， 但是它对于我们肚子里的肠道菌群 ， 还有一些厌氧菌来说 ， 是非常适合的生存环境 。
所以现在科学家甚至开始考虑 ， 在金星这么恶劣的条件下 ， 居然还有可能有微生物的存在 。
所有的这些告诉我们一件事情 ， 当我们把对生命的要求转化成对微生物存在的要求的时候 ， 它就变得比较简单了 。
要有一颗行星 ， 上面要有一些有机分子 ， 当然还要有水 ， 还要有一些能源 。
能源的来源 ， 有可能是恒星 ， 或者潮汐、地热等等 ， 这些条件在宇宙当中非常容易被满足 。
所以我们把这句话翻译过来 ， 如果你找的是单细胞生命 ， 那么我可以告诉你 ， 单细胞生命在宇宙当中是有很多的 ， 它是普遍存在的 。
那银河系里面能够找到高等生命的可能性有多大呢？
这个方程是一个叫德雷克的科学家提出来的 ， 时间已经很长了 ， 是20世纪60年代提出来的 。
不要看它有这么多参数 ， 非常复杂 ， 它想告诉我们的事情其实很简单 ， 就是如果要估计在地球以外的高等文明有多少 ， 我们需要关心两方面的问题 。
第一方面， 就是绿色框里面的几个参数 ， 跟天文有关 ， 也就是有多少恒星 ， 哪些恒星里面有行星 ， 哪些行星位于宜居带里面 ， 这个我们是知道的 。
另外一部分 ， 蓝色框里是跟生物有关的 。
这些行星上有没有可能产生微生物这样的生命？这些生命有没有可能演变成像人类这样的智慧生物？
这些智慧生物有没有可能跟地球发出信号 ， 或者接收信号 ， 跟我们交流？
还有一个很重要的事 ， 它们能够活多长时间？能不能有足够的时间来让我们发现它们？
我们把这些东西加在一起 ， 就可以估计一下地外文明有多少 。
底下有一行很小很小的字 ， 说的是银河系里面有可能与我们接触的高等文明的数量 。
我给了一个范围 ， 最小的可能是10的负10次方 ， 这就相当于是0 ， 也就是没有 ， 这表示最小的可能是0 。
但是最大的上限是2的8次方 ， 是2亿个 。
这句话的意思就是 ， 如果你们想问自己 ， 这个世界上到底有没有外星人 ， 或者外星人长什么样子 ， 它需要什么样的条件 ， 你们可以完全展开你们的想象力 。
你们认为是什么样 ， 它就有可能是什么样的 。
不管怎么样 ， 科学家也没有放弃寻找这些地外文明 。
而且根据现在的探索过程 ， 我们可以估计 ， 在未来的20年里 ， 我们将会发现大量的太阳系外的行星 。
这里面一定会有一些对人类来说非常重要的、以后有可能移居的目标星球 。
在这个过程当中 ， 我们还在不断地收获一些惊喜 。
大家知道比邻星吗？它是离太阳最近的一颗恒星 ， 我们之前找到的那些行星系统都是300光年 、400光年、500光年 。
也就是说 ， 我们根本没有办法在人的一生当中走过这个历程 ， 真正移民到那个星球上去 。
但是比邻星距离我们的距离 ， 还是可以接受的 ， 它只有四点几光年 。
所以我们即便用光速 ， 大概四年的时间也就过去了 。
在离我们这么近的恒星上 ， 真的有一颗可能宜居的行星 ， 而且我们现在都不排除这个行星的表面很可能是存在水的 。
另外， 我国的天文学家也在做出贡献 ， 比如我们中国的天文学家用我们自己的望远镜 ， 也成功地发现了系外行星 。
在今年世界命名活动当中 ， 广州中学的同学们 ， 还给这两颗星取了一个非常好听的名字 。
行星的名字叫做望舒 ， 它的意思是月神 ， 它围绕的主星的名字叫做羲和 ， 相当于是太阳之神 ， 它的寓意也非常美好 。
希望我们中国的天文学家 ， 能够继续有新的发现 。
我前面讲了那么多 ， 告诉了大家各种各样的可能性 ， 给了大家来寻找新地球的希望 。
我想告诉大家的是 ， 现在天文学家还在建造更强大的望远镜 。
无论是在地面上的口径非常大的望远镜 ， 还是我们要把更大的望远镜放到太空当中去 。
我相信 ， 有了这些更精密的仪器和设备 ， 在天文学家的帮助下 ， 说不定真的有哪一天 ， 我们可以去火星上种土豆 。
“格致论道” ， 原称“SELF格致论道” ， 是中国科学院全力推出的科学文化讲坛 ， 由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办 ， 中国科普博览承办 。 致力于非凡思想的跨界传播 ， 旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展 。 获取更多信息 。 本文出品自“格致论道讲坛”公众号（SELFtalks） ， 转载请注明公众号出处 ， 未经授权不得转载 。
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