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探索地外生命与宇宙起源演化有什么关系?

时间:2011-09-11 12:08:00  来源:  作者:

先简单回答读者的一个问题:探索地外生命与宇宙起源演化有什么关系?

著名物理学家费米半个多世纪之前曾经提出过一个困扰了无数人的佯谬:既然地球和太阳系在已经有上百亿年历史的浩渺宇宙当中绝非天之骄子,宇宙里就应该有数不清的生命群落,为什么我们找不到他们?两件事与这个问题有关,一个是宇宙间究竟有多少与地球类似的环境,另一个是在类地环境中生命演化的历程。类地环境数量可能十分庞大,但是生命特别是智慧生命在宇宙历史舞台上演出的时间是那么的短暂,它可能是阻碍我们发现宇宙邻居的重要原因。正因为如此,宇宙以及恒星/行星系统的诞生、演化,包括星际有机分子的分布等基础问题,就都与地外生命的探索有密切的关系。

现在回到与探索地外生命有关的项目。上一篇提到的都是针对太阳系的内行星,今天则介绍针对外行星以及太阳系外宇宙空间与地外生命探索有关的工作。

——单孔径远红外天文台(Single Aperture Far-Infrared Observatory, SAFIR)。计划于2015年发射升空,抵达与太阳-地球相对静止的第二拉格朗日点,也有可能采用替代方案,进入半径为3个天文单位的环绕太阳轨道。

SAFIR的主要仪器是一台深冷光圈大孔径红外空间望远镜(Cryogenic Aperture Large Infrared Space Telescope Observatory, CALISTO)。它采用离轴格里高利光学设计,除开体积方面的考虑之外,更重要的是因为要研究早期宇宙,包括星系生成和类太阳系的行星演化历史,特别是探测存在于星际空间与生命起源可能有密切关系的有机分子,需要接受微弱的亚毫米红外信号,而格里高利式的光路设计有利于排除来自银河系与黄道带尘埃的辐射干扰。加上SAFIR的5层遮阳板和制冷设备,将望远镜镜面和仪器冷却至绝对温度4摄氏度甚至更低,使得背景辐射远远低于以往的空间红外望远镜,可以探测更加遥远的距离,得到更为精确的结果。

 


左边是SAFIR的示意图。右图为荷兰莱登天文台尤特坎帕(Ruiterkamp)绘制,显示星际介质中与生命起源有密切关系的各种有机分子,SAFIR将要测定它们的数量,了解它们的生成和消解机制,进而探索它们与行星上的生命演化之间的关系。

——詹姆斯韦伯空间望远镜(JWST)。这是美国宇航局用来接替哈勃空间望远镜的项目,协作单位有欧洲航天局和加拿大航天局,另外还有10多个国家参与。原先计划今年发射,后来因为哈勃望远镜经过维护寿命延长,加上预算超支造成经费问题,现在至少推迟到2018年才能实施。

JWST将部署在第二拉格朗日点,远离地球尘埃,同时不需要像哈勃望远镜那样随着绕行地球的轨道运动而不停地调整聚焦。它的金属铍主镜面积比哈勃大5倍以上,接收设备为四台近红外或中红外照相机和光谱仪,可以探索从大爆炸之后不久直到形成有生命的行星系统的宇宙演化历程。

 

左为詹姆斯韦伯空间望远镜,右边小图显示JWST探测早期宇宙(左上),星系和暗物质的演化(右上),恒星及其行星早期历史(左下),包括太阳系在内的恒星/行星系统的物理化学特性及组成生命的成分(右下)

——其他正在进行或将要进行的探索计划有:

1997年与欧洲航天局联合发射的卡西尼-惠更斯土星飞船,目前看来有可能将其寿命延长到2017年,以便当土星夏季来临时研究它的气候变化;

计划于2020年前后实施的木星卫星探测计划。这也是与欧洲航天局合作的项目,其中美国木卫二飞船因为预算紧缩可能会推迟。日本与俄罗斯表示有意加入这项计划;

2004年欧洲航天局发射的罗塞塔飞船,将于2014年与67/P彗星会合,跟随彗星两年,并将一个机器人送上彗星。美国宇航局位于加州理工学院的喷气实验室为该计划提供了三台重要仪器;

计划于2012年2月发射的核光谱天文望远镜阵列(NuSTAR)。这是首次专门用于高能X射线探测的地球轨道望远镜,它的性能将大大超越同样光谱范围的地面设备,对研究宇宙空间的黑洞分布、超新星爆发和最为活跃的星系中心极强等离子喷流等将提供有力的工具;


(左一)卡西尼-惠更斯土星飞船在2009年11月拍摄的土卫二南极附近水/冰羽状喷射
(左二)木星卫星探测计划示意图
(左三)罗塞塔飞船将机器人送上彗星示意图
(左四)NuSTAR示意图

(所有图片的原图均取自美国宇航局网站)


 

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