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betway必威官网手机版:爱因Stan,评出二零一一年

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-09-15 04:07

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《自然》评出2012年五大挑战性科学实验

精彩速览:科学家曾认为,探测遥远的太阳系外行星的大气几乎是不可能的,因为它们的宿主恒星发出的光太亮了。然而,当科学家开始研究太阳系外行星运动到宿主恒星后方的情形时,他们意识到由此导致的恒星亮度变化可以为行星大气的组成提供线索。目前,天文学家正在使用更先进的技术,探测太阳系外行星大气中的原子和分子。他们希望很快能把这一研究拓展到为外星生命的存在提供证据的那些分子身上。本文由《科学美国人》中文版《环球科学》授权转载。

引力波是一个世纪前由爱因斯坦预言的一种波。根据他的广义相对论,引力是时空本身的弯曲,因此引力波就是时空受引力影响而发生变化时产生的一种波动。当宇宙中两个致密的天体,如黑洞、中子星或白矮星发生碰撞、合并时,都会发射强烈的引力波,引起周围时空的剧烈波动。

中国天眼是世界上最大单一口径的射电望远镜,一个直径半公里的巨大反射面,就像地球硕大的眼睛,一天24小时警惕地注视着浩瀚的太空,寻找宇宙的奥秘,生命的真谛。最近,中国天眼团队宣布,自两年前开始收集数据以来,天眼已发现了84颗新的脉冲星,目前正在探测银河系中的黑暗地区,并最终测算出未来银河系里可能诞生多少颗新的“太阳”,寻找宇宙中究竟可能存在多少智慧生命的终极答案。

类似地球的太阳系外行星的大气中的光谱可能暗示在生命的存在(Thomas Porostocky/Nature)

很多科学家认为,2012年将是“上帝粒子”现身之年;媒体也大都将焦点聚集在位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机之上,人们迫切期望LHC能在今年搜寻到被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的“芳踪”,为人类了解宇宙进而了解人类自身提供更多的线索。与此同时,也有一些科学家正在潜心从事一些同搜寻希格斯粒子一样具有挑战性的实验,虽然这些科学家以及他们的实验并非那么广为人知,但其作用同寻找“上帝粒子”一样,都是为了解开盘旋在人类心中很久的一些谜团。英国《自然》杂志网站近日为我们列举出了如下5大颇具挑战性的实验。寻找外星生命的“蛛丝马迹”美国哈佛—史密森尼天文物理中心的天文学家大卫·夏邦诺1999年时还只是哈佛大学的一名研究生,但是,他首次观测到了另一个太阳系的一颗行星通过其母星表面时,母星光度的轻微下降。现在,这样的“凌日”法是天文学家们发现行星的重要方法。科学家们可以借用这一方法了解行星和其大气的结构。当行星经过其母星,母星光线便会经过行星的最外层大气,通过仔细分析该母星的光谱,便能得知该行星的大气成分。如果科学家们能证实行星的大气中确实包含有氧气,那可能暗示这一行星上存在生命。但是,探测到氧等元素的唯一方法是在通过该行星大气的星光光谱中找到它们,而这种信号非常弱。夏邦诺解释说:“起初,行星遮住的光线很少,一颗木星大小的行星行经一颗类似太阳的恒星时,会遮蔽约1%的光。而一颗更小的、地球一样大小的行星可能只能遮蔽约0.01%的光。接着,我们会看到该行星周围的‘洋葱皮’,那就是大气。”仅仅只有通过洋葱皮的星光拥有天文学家们正在寻找的光谱信息,然而,对于像太阳一样大小的恒星和像地球一样大小的行星来说,这无异于大海捞针。因此,利用“凌日”法了解系外行星存在诸多困难。不过,夏邦诺表示,尽管目前还没有望远镜拥有探测到太阳本身的光线发出的微小信号所需要的灵敏度,但是,木星大小的气体巨星的大气比地球大小的气体巨星的大气大,相应地,其光谱信息也更多。自2005年开始,哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜等轨道望远镜已经采集到了大约40个气体巨星的大气光谱。夏邦诺说:“尽管最初的观察结果受到了科学家们的质疑,因为这些气体巨星并非那么普通,也并非那么富有争议。然而,这是我们迄今获得的与类地行星有关的所有信息,而且,以前没有人做到这一点。”科学家们的最新研究成果是获得了“超级地球”GJ 1214b的光谱,该行星的直径约是地球直径的2.6倍,距离地球仅40光年,环绕着一颗红矮星运行,是当前发现的唯一一颗超级地球系外行星——质量在地球和海王星之间,并具备稳定的大气层。科学家们对这一行星进行的分析表明,该行星的大气中充满了水蒸气或者云,而几个月前,夏邦诺和同事使用哈勃望远镜也证实了这一点。探测一颗类日恒星周围的一颗类地行星的大气结构为我们提供了最好的机会,让我们得以探测该行星上的生物活动,不过,这种探测仪需要具备极高的灵敏度。夏邦诺热切期望美国国家航空航天局计划了很长时间且多次延迟发射的哈勃望远镜的继任者——耗资80亿美元、预计将于2018年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜确实能按时进入预定轨道。他说:“如果情况真这样就好了,我们或许可以依靠它在其他星球上找到生命。”看穿手性分子的“镜像”生物学上存在着一种奇妙的不对称,存在着一些化学中结构上镜像对称而又不能完全重合的分子,这两种分子拥有完全一样的物理、化学性质。但是从分子的组成形状来看,它们依然是两种分子。这种情形像是镜子里和镜子外的物体那样,看上去互为对应。由于是三维结构,它们不管怎样旋转都不会重合,就像左手和右手那样,因此,科学家们将其称为手性分子。当化学家们在实验室制造这种分子时,一般会得到两种形式的混合分子,而且,依照惯例,会给它们贴上左手性或右手性的标签。但活细胞一般仅仅由左手性分子制造而成,没有人知道为什么会这样。一种可能的解释是,标准粒子物理模型预测的自然界中四种基本力中的一种——弱相互作用调停着原子核和电子之间的某些相互作用,其对左手性和右手性分子的影响不同;而包括重力在内的其他力在每个版本的镜像宇宙中都是一样的。法国巴黎第13大学的伯努特·达奎解释道,从理论上而言,弱相互作用或许导致一种形式的手性分子同其镜像“双胞胎”分子的能态稍微有些不同,大约有1015分之一到1020分之一的差异。因此,如果一种形式的手性分子的振动频率为30太赫(频率单位,等于百亿赫),那么,它与对应的另一种手性分子的振动频率之间的差异仅为几豪赫兹甚至几微赫兹。达奎表示,测量出这样的细微差异可能有助于我们解决生物学上的这个不对称难题,他的团队也正致力于做到这一点。这种差异甚至能让我们获得标准模型的弱相互作用理论的某些参数的值。据达奎所知,他们的研究团队是目前全球唯一试图解决这一难题的团队。他花费了整整3年来组建这个由实验物理学家、量子理论学家以及化学家组成的实验团队。他们现在需要解决两个问题:首先,他们需要制造出分辨率极高的光谱仪来测量手性分子的能级。迄今最好的光谱仪能够识别出5/1014的能级差别,而他们需要的光谱仪的清晰度将约为目前市面上最好的光谱仪的100万倍。他们现在正在制造一个精确度更高的光谱仪。为了达到这样的灵敏度,他们的机器不能受到任何外部振动的影响,而且需要稳定地维持在0.1摄氏度以内。另外,为了能在测量分子振动频时获得所需要的精确度,达奎的实验室使用了一个分子时钟,其通过一个光纤网络与位于法国巴黎的世界时间标准原子钟相连。科学家们面临的第二个挑战是制造出测试分子,且测试分子的不对称效应要大到足以被测量出来。因此,这个分子的中央原子应该很大,因为原子理论认为,这样会让不同形式的手性分子之间的能态差异最大,而且,当将其加热到光谱仪所要求的气体状态时,分子本身也不会分崩离析。该研究团队认为,最好的分子很有可能是甲基三氧化铼这样的分子,其两个氧原子被硫和硒所取代。不过,即使科学家们发现了一个能很好地用来做实验的分子,他们仍然需要一年时间来进行足够多的测试工作以增加信号与噪音之间的比率并得到更准确的数据。达奎表示:“问题越困难,当你解决它的时候,你就会越高兴。”达奎表示,即使他们的实验并不能解决生物学上的这一难题,他们也不会因此而失望,因为,他们正在研发的技术将可用于对很多基础物理学理论进行测试。他说:“科学家们正在对能级更高或更低的粒子进行精确的测量,分子越复杂,测量需要解决的问题就更多,因此,我们正在研究的技术和工具将大有用武之地。”寻找额外的空间维度我们一直认为世界只拥有三维立体空间——左右、前后、上下,我们也认为这是一个颠扑不破的真理,无法想象还会有与其不同的情况。但超弦理论和其他试图设计出统御世界的“万物之理”的诸多尝试让很多物理学家提出了一个新观点:空间不仅仅只有三个维度。其他额外的维度很可能紧密地簇拥在一起,并因此而藏匿于我们的日常经验之外。不过,这些额外的维度也并非完全隐形,它们会对牛顿经典重力理论所预测的重力产生非常轻微的影响。能够探测到重力在这种尺度上的细微变化的实验因此能“看到”任何其他的维度。美国华盛顿大学实验核物理和天体物理学中心的艾瑞克·阿德尔伯格于1999年首次听说了这种想法。他说:“有些人认为这种想法很疯狂,但是,也有些人认为这一想法很酷。”他和同事决定亲自测试这一想法。“还有比发现我们对世界维度的理解是错的更令人兴奋的事情吗?”阿德尔伯格团队选择的工具是扭秤。他们对英国杰出的物理学家和化学家亨利·卡文迪什在上世纪70年代晚期首次用在实验室测量重力的扭秤进行了改良。在他们设计的现代版扭秤中,一个金属圆筒悬挂于一条丝线下,因此,圆筒能自由地扭转。圆筒底部黏贴着一个名为探测器的圆盘,圆盘上钻满了一圈小洞。距离第一个圆盘几微米之下的地方放置有第二个具有同样钻洞的名为吸引盘的圆盘。当该吸引盘旋转时,其上的小洞之间的物质会对名为探测器的圆盘上的小洞之间的物质施加一个微小的引力。这种力会让悬挂圆筒的丝线发生扭曲,导致圆筒旋转几十亿分之一度。为了确保探测器圆盘是对重力而非其他力作出反应,以上设备必须完全由非磁性材料制成,并且所有材料的表面都需要用金包裹以便让电荷在设备上传播开来。这些设备也必须被制作得非常完美且不能受到任何震动(包括汽车驶入外面的停车场产生的震动等)的影响。阿德尔伯格表示:“我们在周末午夜到凌晨四点得到的数据最好。得到好数据的时间实在太短暂了,这令人有点沮丧。”迄今为止,阿德尔伯格团队能够确定的是,不存在大于44微米的额外维度。他的两名研究生以及全球其他科研团队正努力让这一极值变得更小。但是,他表示,额外的维度越小,他们所需要耗费的时间就越长。他说:“如果存在着一个30微米的维度,那么,验证它的存在将花费1年。”但是,阿德尔伯格似乎不惧这种不确定性和可能面临的诸多困难,他相信他们一定会成功。他说:“事情越困难,当你解决事情的时候,你的感觉就越好。”

betway必威官网手机版 2银河系中充满了行星。科学家们正在寻找其他“地球”,竭力探测它们的大气,以此来寻找地外生命的迹象。图片来源:《环球科学》

引力波遇到一个物体,就会使这个物体发生变形。譬如一个正方体,若受到从某一方向传来的引力波,它在这一方向上的尺寸就要发生变化,于是它不再是严格的正方体。反之,只要观察到了这种变形,就说探测到了引力波。但是那些能产生引力波的天体都离我们实在太遥远了,等引力波传到地球,信号已变得非常微弱,所以引力波是不容易探测到的。

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(文 / Nicola Jones)当媒体的目光都聚焦于日内瓦的大型强子对撞机(LHC)和它引人注目的玻色子搜寻任务之际,还有一些科学家也在致力于同样充满挑战的实验,与LHC一样,这些实验可能会改变未来的面貌。

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(文/Michael D. Lemonick)从经验丰富的天体物理学家,到初出茅庐的科学记者,当时在场的每一个人都不会忘记1996年1月的那场新闻发布会。这场发布会是在美国天文学会冬季会议上召开的,美国旧金山州立大学的天文学家杰弗里·W·马西(Geoffrey W. Marcy)在发布会上宣布,他和他的搭档、当时任职于美国加利福尼亚大学伯克利分校的R·保罗·巴特勒(R. Paul Butler),发现了围绕类太阳恒星转动的第2和第3颗行星。而在此的几个月前,瑞士日内瓦大学的米切尔·梅厄(Michel Mayor)和迪迪埃·奎罗兹(Didier Queloz)曾宣布,他们发现了第一颗这样的行星——飞马51b(51 Pegasi b)。不过,刚发现飞马51b时,科学家还认为这也许只是偶然发现,甚至可能是个错误。在发布会上,马西已经可以确信地说,这既非偶然也非错误,他告诉观众,“行星根本就不罕见”。

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发现脉冲星

这些研究者通常都默默无闻,但却愿意数年甚至数十年细心调校、保证仪器顺利运转,小心翼翼地实验、尽可能减少可疑数据的出现,与威胁到探测信号的背景噪声锲而不舍地搏斗,对差之毫厘的测量精度孜孜以求,其坚毅与专注堪与所有英雄壮举相比。

这一发现震惊了天文学界。以前,由于科学家自认为寻找太阳系外行星过于困难,因此几乎没有人搜寻它们。而现在,仅对几颗恒星进行搜索之后,天文学家就发现了3颗行星,这表明还有数十亿颗行星有待发现。

庞大、精密的引力波探测器

脉冲星是会发射周期性信号的中子星,大质量恒星到了生命末期,坍缩形成中子星后,体积急剧缩小,获得的角动量让其快速旋转,其强大的磁场让它从两极发射出束状的无线电波。当这束射电波扫过地球时,就可以被射电望远镜接收,让我们知道它的存在,并根据获得的数据分析它的各种属性,这种中子星就被称为脉冲星。

探测地外生命

1999 年,当时还是马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的研究生的大卫 · 沙博诺(David Charbonneau)对另一个行星系中由于行星掠过母恒星表面引起的恒星微弱亮度变化进行了测量,这是人类首次探测到此类现象。时至今日,这种 “凌日” 现象已经成为天文学家寻找地外行星的常用工具。

新的挑战在于弄清这些行星及其大气的组成成分,比如说,如果发现某颗行星的大气中含有氧,那就可能成为其上有生命存在的间接证据。但探测这些元素的唯一方法,是利用恒星星光穿过行星大气形成的光谱,这可是极为微弱的信号。

沙博诺说,首要困难在于 “恒星被行星遮挡的部分比例很小”,一颗木星大小的行星掠过太阳大小的恒星能遮挡掉恒星约 1% 的光芒,而一颗更小的如地球大小的行星只能遮挡掉 0.01% 的光芒。“接下来你要找到这颗行星洋葱般的外皮,也就是它的大气层”,只有穿过这层外皮的星光光谱才包含天文学家想要的信息。

这意味着如果地球大小的行星掠过太阳大小的恒星,最终有用的,仅仅是百万分之一的星光。

尽管今天还没有任何一台望远镜的分辨能力足以从恒星星光中分解出那百万分之一的可用信号,但事情尚有转机。沙博诺说这是因为诸如木星这样的气态巨行星拥有比地球更厚的大气,所以其光谱特征也会更明显一点。

从 2005 年至今,像哈勃和斯必泽望远镜这样的空间天文台已经分离出了约 40 个气态巨行星的大气光谱。在沙博诺看来,最初的测量结果曾受到一些质疑,不过时至今日,“对气态巨行星大气的探测虽不能说是习以为常,但也不再饱受争议。现在的问题是如何对地球大小行星的大气进行探测,目前还没人能做到这一点。”

离这个目标最接近的观测者正在对一颗被称为 GJ1214b 的超地球行星的光谱进行分析;这颗行星直径是地球的 2.6 倍,绕转一颗比太阳稍小的恒星。此前的首次观测似乎表明该行星拥有一个充满水蒸气或云层的大气,数月前,沙博诺及其团队用哈勃望远镜证实了这个结果1。

对类地日系中行星大气成分的探测需要仪器的升级换代,这同时也是寻找地外行星上生命迹象的最佳机会。沙博诺眼下期望美国国家航天局(NASA)计划很久拖延也很久的詹姆斯·韦伯太空望远镜能早日升空。这架耗资 80 亿美元的哈勃继任者按预期将于 2018 年发射,沙博诺对它充满憧憬:

到时候会是见证奇迹的时刻,它将给地外生命的搜寻添上最浓墨重彩的一笔。

如果巴特勒和马西仅仅是解决了一个有关行星形成理论的问题,那么他们的发现不会引起那么大的轰动。事实上,他们的发现不仅证明太阳系外行星确实存在,而且这些行星的发现还可能回答一个自古希腊以来就一直困扰着哲学家、科学家乃至神学家的问题:我们在宇宙中是否孤独的存在?

目前,要在地球上直接探测引力波,需借助于庞大、精密的设备。典型的装置是引力波激光干涉仪。其原理是:引出一束激光,经过一块半透明的镜子之后,分成了两束,一束穿透镜子,沿原方向传播,另一束则被反射到垂直的路径上。两束激光在各自的路径上经多次反射之后,又汇聚于一点,在汇聚点发生干涉。

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看穿分子魔镜

生物学中存在着非常严重的不平等。很多分子具有 “手性”(chiral),这意味着分子中的原子存在两种互为镜像(mirror image)的排列方式。当化学家在实验室中合成此类分子时,往往得到的都是包含两种手性的混合物,为简单起见它们被命名为左手征(left-handed)分子和右手征(right-handed)分子。奇怪的是,生物细胞通常只由左手征分子构成,没人知道这其中的缘故。

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镜像分子的在能量水平上微小差异可能预示着弱相互作用的对称性破缺(Thomas Porostocky/Nature )

可能的解释之一认为,原因在于自然界中的基本力(elemental force)。根据 粒子物理学的标准模型 预言,自然界中存在 4 种基本力,其中 betway必威官网手机版:爱因Stan,评出二零一一年中国共产党第五次全国代表大会挑衅性科学实验。弱力 是核子和电子间相互作用的传递者。据信,正是弱力对左手征和右手征分子的作用不对称,而包括引力在内的其它 3 种基本力对两种手征而言都是对称的。

巴黎大学的伯努瓦 · 达尔基耶(Benoît Darquié)解释说,理论上,弱力会导致手性分子一种手征结构的能态(energy state)比它的镜像手征结构要差上微乎其微的那么一丁点,大约是 1/ 1015 ~ 1/ 1020 。结果是,假设左手征分子的振动频率是 30 THz( 1012 Hz),那作为其镜像的右手征分子的振动频率会差上几毫赫兹(mHz, 10-3 Hz)甚至几微赫兹(μHz, 10-6 Hz)。

对两种手征分子间如此微小差异的测量将为破解生物偏好左手征之谜带来一线曙光,达尔基耶如是说,而他的小组也正付诸努力。这样的测量甚至能为标准模型中弱力理论部分提供某些参数的准确取值。

据达尔基耶所知,他和他的同事是目前世界上唯一进行此项尝试的团队。实际上,他花了 3 年时间来网罗所需的试验物理学家、量子理论专家和化学家。

他们现在需要攻克两个难题,首先是建造一台极高分辨率的光谱仪,用于测量手性分子的能态。达尔基耶小组拥有的最好的设备能探察 5 / 1014 的能量差别,这大约比普通光谱仪的分辨能力要好 100 万倍。眼下他们正在建造一台精度更甚于此的仪器,要达到如此高的精度,仪器必须隔绝所有的外部振动并且保证温度波动不超过 0.1 ℃。不仅如此,为了在所需精度上测量分子振动的频率,达尔基耶的实验室还使用了一台分子钟,并通过光纤与巴黎的世界时标准原子钟保持同步。

研究者面临的第二个挑战是合成出一种手征非对称效应足够明显的测试分子。这种分子需要有一个较大的中心原子,因为原子理论告诉我们大的中心原子能将手征结构造成的能量差异最大化。同时,这种分子在被加热到气态去拍摄光谱时还不能轻易破裂。

达尔基耶小组猜测最佳的选择是类似用一个硫原子和一个硒原子置换甲基三氧化铼(化学式: CH3O3Re )中的两个氧原子之后的产物,尽管要制造出纯左手征和右手征的此类分子并非易事一桩。不过即便最后能找到一种完美的测试分子,研究者还需要一年时间才能积累到足够的测量数据来达到一定信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)以便获得可信的结果。

要是实验结果没能解开生物手征谜团的话,达尔基耶说他也不会在意,因为他们发展出的技术将为检验基本物理理论开辟很多新的方向。

达尔基耶:通常对理论最准确的检验,要么发生在高能的粒子物理中,要么发生在低能的原子物理中,而分子更复杂,所以能解决更复杂的问题。

在最初的欢庆之后,科学家决定弄清楚,如何才能查明在那些围绕其他恒星转动的行星上,到底有没有哪怕是最原始的生命形式。由于至今科学家还没有像电影《超时空接触》(Contact)中的朱迪· 福斯特(Jodie Foster)那样,截获外星人发来的讯息,因此要实现这个目标,就只能在太阳系外行星的大气中寻找生命迹象,也就是高活性分子存在的证据。例如氧气,除非有某种可进行新陈代谢的生物体不断补充,否则氧气很快就会消失。

betway必威官网手机版:爱因Stan,评出二零一一年中国共产党第五次全国代表大会挑衅性科学实验。干涉所得到的图案则取决于两束激光走过的距离差。举个极端的例子:若距离差为零,说明两束激光走过相等的距离,它们的步调保持一致,那么干涉时中央就是一个亮斑。当引力波传来,引起空间微弱的伸缩,两束激光走过的距离差就会随之改变,这一改变将引起干涉图案发生变化。

脉冲星于1967年10月由剑桥大学卡文迪许实验室24岁的女研究生乔丝琳·贝尔·伯奈尔发现,她在检测射电望远镜信号时偶然发现了有规律的脉冲信号,以为这是外星人发来的信号,第一颗脉冲星因而被称为“小绿人一号”。脉冲星被认为是20世纪60年代的四大发现,遗憾的是,伯奈尔的导师安东尼·休伊什因脉冲星的发现荣获1974年诺贝尔物理学奖,伯奈尔却被无情地忽视了,这让科学家们对此颇有微词。

寻找额外维度

有一个观念与实在的联系如此根本,绝大多数人对它都深信不疑,那就是我们的世界恰好有三个空间维度:左右,前后,还有上下。但 超弦理论 及其它一些构造 “万物理论”(theory of everything)的尝试已经让很多物理学家提出,空间的维度远不至于此。

这些额外的维度被假设成是高度卷曲的,它们远离日常经验,但会对很小尺度上的引力造成影响,使得两个质量之间的作用力稍稍偏离牛顿引力理论的经典结果。要是能在实验中探测到如此小尺度上引力的变化,也许就能一窥这些额外的维度。

西雅图华盛顿大学实验核子物理与天体物理中心的艾瑞克 · 阿德尔贝格尔(Eric Adelberger)在 1999 年的一个讲座上第一次听到这样的说法。 “一些人认为这个想法很疯狂,也有一些人认为它很酷。” 他回忆道。但他和同事认定要用实验来判断:

难道还能有比发现我们此前对宇宙维度的认识是错的更令人激动的么?

阿德尔贝格尔的实验小组用来挑战的武器是扭秤(torsion balance),本质上就是 18 世纪 90 年代末英国物理学家亨利 · 卡文迪许(Henry Cavendish) 首次测量万有引力常数 所用装置的升级版。在现在这一版扭秤中,一根金属杆用丝线悬挂起来,可以自由扭动,杆底端安放有一个称为探测盘的圆盘,圆盘上钻了一系列小孔。在探测器下放几微米处还有第二个被带有类似小孔的圆盘,被称为吸引盘。当吸引盘转动时,小孔之间的盘体会对探测盘的盘体施加一个微弱的引力,这个力会造成探测盘和金属杆转动,从而扭转悬丝,使其转过大约 10 亿分之一度的微小角度。

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微米级的旋转或可揭示由额外维度造成的偏离牛顿引力理论的结果(Thomas Porostocky/Nature )

为了确保除地球引力之外探测盘只受到吸引盘的引力影响,整个装置的所有部件都必须用非磁性物质制成,而且所有的表面都要镀上一层金好让仪器所带电荷均匀分布。除此之外,整个装置的制作务求完美,并且要完全隔绝外部振动,包括外边停车场车辆引起的振动。 “我们最好的数据是在周末午夜到凌晨 4 点之间取得的,” 阿德尔贝格尔感叹说,“这一点很讨厌,因为你收获最佳数据的时间实际上很有限,弄的我们现在都跟侦探差不多了。”

精益求精的设计让实验者可以排除来自牛顿定律和振动的影响因素,如果这样仍然可以观察到探测盘的扭转,他们知道肯定有好戏上演。目前为止,阿德尔贝格尔的研究组可以断定在 44 微米及以上尺度肯定没有额外维度存在。

他说他的两个研究生,还有全球其他十来个小组,都正在想方设法继续向下进发。不过,究竟要多久才能有所发现,取决于这些额外维度的大小,如果它们卷曲的太厉害,阿德尔贝格尔认为, “那答案可能永远也发现不了。如果在 30 微米上有可见的卷曲,那就还要一年而已。”

但阿德尔贝格尔似乎很享受这重重的不确定与挑战,他将其形容为爬山登顶, “过程越是艰难,会当凌绝顶的感觉就越美妙。”

马西、梅厄和同事当年观测到的,仅仅是行星对宿主恒星的引力作用;要探测生命迹象,就必须对行星大气进行直接观测。为此,美国航空航天局计划,发射一系列更为强大的空间望远镜,而这个计划的高潮部分,则是在轨空间望远镜“类地行星搜索者干涉仪”(Terrestrial Planet Finder Interferometer)的发射,它将耗资数十亿美元,预计发射时间为21世纪20年代。总之,天文学家当时认为,对太阳系外行星大气的了解,绝不是一时半会儿就可以做到的。

引力波激光干涉仪是非常敏感的。比如说,在地球到太阳这么长的距离之内,哪怕发生了仅相当于一个原子尺寸的变化,它们都能探测到。另一方面,它们又是非常庞大的。例如德国的一个引力波激光干涉仪,坐落于两条相互垂直的隧道中,隧道各长4千米。计划中建造的新的引力波探测装置,可能还要动用数颗人造卫星。

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捕捉引力波动

斯科特 · 雷森孩子似的劲头与他正从事的项目似乎有些不相符,他的研究可能要等上十来年时间才能初见端倪。雷森是美国国家射电天文台(National Radio Astronomy Observatory in )的天文学家,在谈到脉冲星这种星系中最精准的天然钟表时,他嘴里蹦出一连串的 “太棒了”、“酷毙了” 这样的词来,说它如何让探测作为爱因斯坦广义相对论最基本预言的 引力波 成为可能, “这将为我们的宇宙打开一扇全新的窗口,” 他嚷嚷着, “除了光之眼我们还有质量之眼。”

雷森对此做了一番讲解,按照爱因斯坦的广义相对论,引力波是由质量运动引起的时空结构的涟漪,比如说一对互相绕转的 中子星 就能产生引力波。雷森说,这就像抖动一个电子会让电子周围的电场和磁场以光及其它形式的辐射向周围传播一样, “当你抖动某个有质量物体,你就制造出了引力波。”

不过,令人沮丧的是,就算一列非常强的引力波横扫过地球,也只会让地球直径收缩或扩张不到 10 个纳米(nm, 10-9 米)。因此,诸如激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational wave Observatory, LIGO,由帕萨迪纳的加州理工和剑桥市的麻省理工共同负责)这样、试图探测此类微小变化的地基(ground-based)实验,将永远无法摆脱来自背景噪声的干扰,路过的卡车、雷暴甚至千里之外海滩上起伏的海浪都会淹没真实的引力波信号。

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脉冲星计时的微妙变化可能暗示着巨大的引力波的存在(Thomas Porostocky/Nature )

这正是雷森和同事如此热衷于该项目的原因,他们希望自己能独辟蹊径:仰望脉冲星。 脉冲星 是密度极大的天体,有些脉冲星每秒能自转数千次,每次转动都向外辐射出一道脉冲闪光,天文学家对脉冲时间的测量能确定到大约 100 纳秒之内。雷森小组打算探测分布在全天的约 20 个此类脉冲星,试图寻找由于甚低频(VLF,指频带由 3 ~ 30 KHz 的无线电波)引力波扰动脉冲星和地球之间时空所导致的脉冲时间偏移。他们期望能以此探测到一些最强引力波源所产生的引力波,如宇宙深处大质量黑洞数年一周的转动,或者是相互碰撞的星系。

还有十来个人也与雷森一样,献身于这项由国际脉冲星记时阵列协会(International Pulsar Timing Array consortium)负责协调的计划。好消息是他们无须发明任何新的设备,像波多黎各的阿雷西博射电望远镜就可担此任。坏消息是要持续观测大约 10 年才能捕捉到来自互绕黑洞的引力波,目前他们只对 6 颗脉冲星进行了连续 5 年的准确计时测量。

不过雷森仍旧充满信心,他说,

我们的成功机会是真正的与日俱增,这很酷,只要耐心等待,引力波终将到来。

但他们错了。最初几颗太阳系外行星的发现,激励了整整一代的年轻科学家投身这个领域,让这一领域成为了天体物理学中最热门的研究方向。同时,许多资深天文学家也转向了太阳系外行星的研究。众多优秀科学家的加入,为探测太阳系外行星带来了全新的想法,也使这个领域迅速发展。到2001年,天文学家已在一颗太阳系外行星的大气中发现了钠。此后,又陆续发现了甲烷、二氧化碳、一氧化碳以及水。通过研究太阳系外行星的大气,天文学家甚至还发现有间接的证据表明,一些行星可能部分是由钻石组成的。“到目前为止,如果算上还没有发表的结果,我们已经对30 ~ 50颗行星的大气有一定的了解,”参与了许多开创性观测的、美国加州理工学院的天体物理学家希瑟·克努森(Heather Knutson)说。

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脉冲星就是射电波束周期性扫过地球,从而被我们发现的中子星,科学家们估计银河系中可观测的脉冲星大约有70000个,迄今仅发现了3%。中国天眼是目前世界上最灵敏,最大全口径反射面的单口径射电望远镜,将于今年9月正式验收,截止目前已发现了84颗脉冲星,其强大的分辨率将会在未来大展身手,找到宇宙中越来越多向我们发射信号的灯塔——脉冲星,可用于构建未来宇宙飞船在太空中导航的“GPS”。

重塑千克标准

一千克质量原本应该是一个不变的常数,但实际上不是,这要 “归功” 于旧的质量标准规定和巴黎郊外一间库房中那个有 120 年高龄的铂铱合金圆柱。谁也不知道这位 “原千克” 究竟是由于原子落附在表面而变重了呢,还是由于原子从表面剥离而变轻了,唯一能肯定的就是它的质量肯定在变化,证据是它的那些重量曾完全一致的副本现在已经有了可测量的质量差别。

琼 · 普拉特(Jon Pratt)是华盛顿特区边上美国国家标准与技术中心(NIST)的一名工程师,也是致力于重新定义质量标准的计量学家之一。他介绍说 “千克” 是目前唯一还用实物来定义的 基本单位 。

重新定义的基本思想是将千克与某个精确测量的基本物理常数联系起来,就如同今天用真空中的光速来定义米一样,1 米是光在真空中 1/299792458 秒内通过的距离。

要如此来规定千克的大小,就意味着要确定普朗克常数 h ,因为后者是量子力学中能量量子(energy quanta)的大小,它乘上光的频率 v 就得到能量,即著名的光电效应方程 E = hv ,接着再用上更著名的 E = m c2 ,就能用普朗克常数来定义质量了。

不过确定普朗克常数的准确数值是个精细活,而且目前常用的两种测量方法得到的结果还存在差异,这让上述方法只能却步不前。

在这两种方法中,一种使用的是 “瓦特秤”(watt balance),其本质是一架简单的天平,天平的一端是用巴黎千克原器精心校准过的 1 千克质量,另一端是一个放在磁场中的通电线圈。调整磁场直到 1 千克质量与线圈所受的电磁力精确平衡,接下来就可通过一连串方程把它和普朗克常数联系起来。但说起来容易做起来难,研究者不仅需要避免任何测量偏差,还需要排除其它一些东西的干扰,比如引起最大误差的地球引力场等等。

普拉特负责的这台瓦特秤曾在 2007 年给出了普朗克常数最准确的测量结果之一,6.62606891 × 10-34 J s,相对误差仅为 10 亿分之 36 ,不过英国国家物理实验室(National Physical Laboratory)的瓦特秤(该瓦特秤目前被移放至加拿大渥太华国家研究委员会下属的国家测量标准学院)给出了与 NIST 稍有差异的结果,虽然区别很小,但该区别无法用实验误差来解释。

另一种常用方法是计量一块同位素纯(isotopically pure,指没有杂质且只包含一种同位素的单质)样品中的原子数目,由此确定 阿伏伽德罗常数 ,按定义该常数是 12 克 碳 - 12 原子所含原子数目,它的数值大小可通过另一套方程换算成普朗克常数。

2008 年,德国不伦瑞克联邦物理技术研究所(Federal Institute of Physical and Technical Affairs)的科学家开始对两个近似完美的由 99.995% 纯 硅 - 28 制成的 1 千克球进行实验:他们用高精度激光干涉仪确定球的体积,用 X 射线衍射确定球的晶体结构 ,以便能在更高精度上对原子进行计数。目前他们测量出的阿伏伽德罗常数为 6.02214082 × 1023 ,相对误差低至 10 亿分之 30 ,由此换算得到的普朗克常数与 NPL 瓦特秤的结果相吻合,但与 NIST 的结果不一致。

2010 年,普朗克常数的推荐值是 6.62606957 × 10-34 J s,相对误差 10 亿万分之 44。有人认为这已经足以重新定义 “千克” 了,但也有人坚持再挑剔一下,等各种测量结果吻合得更好一些、测量的误差范围缩小到 10 亿分之 20 以下才开始。

那可要等上好一阵子,普拉特说,“这里没有方便善巧可行,正所谓大道至难是也。”

本文编译自《自然》网站 2012 年 1 月 4 日文章: Frontier experiments: Tough science

文章题图:Shutterstock

内文图片:Thomas Porostocky/Nature

但这些发现还远不足以证明地外生命的存在——这并不奇怪,因为克努森谈论的绝大多数行星,都是温度很高的类木行星,它们到各自宿主恒星的距离,比水星到太阳的距离还要近。不过,克努森及其他天文学家已经开始探测更多较小的太阳系外行星的大气。这些行星被称为“超级地球”,质量介于2 ~ 10个地球质量之间——即使在10年前,都没有人想过,会发现这样的天体。2013年4月,开普勒空间望远镜发现了两颗大小不足地球2倍的行星,它们的温度都允许生命存在,这一发现暗示,生命宜居的行星其实大量存在。因此,虽然这两颗行星(被称为开普勒62e和62f)距离过于遥远而无法仔细研究,但天文学家还是相信,用不了多久,他们就能在类地行星的大气中寻找生命迹象。

爱因斯坦-玻色凝聚来帮忙

那么,除了寻找脉冲星,中国天眼还有哪些惊人的科学能力呢?

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凌星天体

天文学家曾一度认为,要花几十年的时间才能开始观测太阳系外行星的大气,因为第一批太阳系外行星都是间接发现的——天文学家观测到了它们对宿主恒星的影响。这些行星本身是无法看见的,但由于恒星和行星绕着共同的引力中心运动,行星的引力会使得恒星来回运动。当恒星朝我们运动时,它发出的光会向可见光谱的蓝端发生微小的偏移;当远离我们时,它发出的光则会向红端偏移。偏移的程度可以告诉天文学家这颗恒星的视向速度,即它朝向或者远离地球运动的速度有多快;反过来,这也能告诉我们,太阳系外行星的质量有多大。

然而,寻找太阳系外行星的方法并不止这一种。如果从地球上看,一颗不可见行星的轨道正好是侧向对着我们的,那它就会从宿主恒星的前面直接经过,这一现象被称为凌星。不过,在第一批太阳系外行星被发现前的近20年,几乎没有天体物理学家考虑过凌星现象,原因很简单,当时搜索太阳系外行星本身仍处于研究领域的边缘。[一个值得一提的例外是,美国航空航天局艾姆斯研究中心的威廉· J · 博拉基(William J. Borucki),他是开普勒计划的首席研究员,而正是开普勒空间望远镜,最终发现了数千个凌星天体。](详见果壳网主题站文章《送望远镜上天,去寻找外星行星!》。)

betway必威官网手机版 11凌星现象可能帮助天文学家分析太阳系外行星的大气成分,点击查看大图。图片来源:《环球科学》

时间来到1999年。当时在美国国家大气研究中心的蒂莫西·W· 布朗(Timothy W. Brown)和当时在哈佛大学读研究生的戴维· 夏博诺(David Charbonneau)在科罗拉多州博尔德市的一个停车场里,架设了一台微型的、天文爱好者级别的望远镜,第一次观测到了太阳系外行星的凌星现象。这颗行星被称为HD 209458b,早先是通过视向速度发现的。几周之后,和马西一起,美国田纳西州立大学的格雷戈里·W· 亨利(Gregory W. Henry)也看到了同一颗行星的凌星现象。由于同时发表了探测结果,因此这两个团队分享了发现权。

成功观测到凌星现象不仅给天文学家提供了寻找太阳系外行星的第2条途径,还赋予了他们测量行星密度的一种手段。视向速度法可以测量HD 209458b的质量。而在凌星现象中,由于恒星光线被遮挡的多少正比于行星的大小,因此天文学家就能知道行星的物理体积。[用质量除以体积显示,虽然HD 209458b的质量只有木星的71%,但它的密度却要比木星大38%。美国普林斯顿大学的天体物理学家亚当· 巴罗斯(Adam Burrows)把这一意料之外的结果称为“一个有待解释的问题”。]

到这个时候,一大批天体物理学家意识到,利用凌星现象,也许可以研究太阳系外行星的大气,克努森把这种方法称为“非常聪明的办法”。但事实上,在科学家首次观测到凌星现象之前,美国麻省理工学院的天体物理学家、当时与夏博诺一起在哈佛大学读研究生的莎拉· 希格(Sara Seager)就与导师迪米塔尔·D· 萨塞洛夫(Dimitar D. Sasselov)联名发表了一篇论文,预言了当一颗行星正面经过宿主恒星,恒星光线穿过行星大气时,一个观测者会看到什么样的情形(参见《环球科学》2010年第9期《太阳系外的超级地球》)。物理学家早已知晓,不同的原子和分子会吸收不同波长的光(这个波长就是某种分子的特征波长)。如果你要搜寻某种分子,就可以用它的特征波长来观测行星。由于只要含有这种分子的任何大气,都会吸收这个波长的光线,因此行星大气会变得不透明,使得行星看上去更大。

希格和萨塞洛夫提出,钠特别易于探测。“钠就像臭鼬的臭味,”夏博诺说,“只要有一点,你就能发现它。”他比任何人都清楚这一点:2001年,夏博诺、布朗及其同事再次观测了凌星行星HD 209458b,这次他们用的不再是爱好者用的小型望远镜,而是哈勃望远镜。正如预言的那样,他们很轻易地就探测到了钠的信号。

次食现象

天文学家们意识到,还存在一种补充性的办法来探测凌星行星的大气。当一颗行星从宿主恒星前方经过时,观测者看到的是它处于夜晚的一侧。在其他时候,它所呈现出的则至少是部分的向阳侧。而在它即将要转动到恒星后方时,其向阳侧则会朝向地球。尽管这颗宿主恒星要比它亮得多,但行星自身也会发光(行星在高温下会发出辐射,主要是红外辐射),且绝大部分集中在红外波段。

然而,当行星运动到恒星后面时,它所发出的光会突然消失;它对该系统总辐射的贡献也会终止。如果天体物理学家做一个前后比较的话,他们就能推测出这颗行星本身会是什么样子。“这种方法从根本上改变了我们面对的问题,”克努森说,“现在,我们要做的不是在一个非常明亮的东西附近,去探测一个极为暗弱的东西,而只是监测信号随时间的变化情况。”早在2001年,当时在美国航空航天局戈达德航天中心的L · 德雷克· 戴明(L Drake Deming)就把夏威夷莫纳克亚山上的红外望远镜对准了HD 209458b,旨在目睹这一所谓的次食(secondary eclipse),但他说并没有观测到这一现象。

不过,和夏博诺一样,戴明也知道,计划于2003年发射的斯皮策空间望远镜几乎可以肯定能看到次食。这两位彼此互不相识的天体物理学家为此都申请了“斯皮策”的观测时间。他们都获得了一定的观测时间,并取得了数据。戴明回忆说,在那之后,大概在2005年初的一天,他收到了语音留言:“德雷克,我是哈佛大学的戴维· 夏博诺。我听说你最近做了一些有意思的观测。也许我们该聊一聊。”

结果,戴明(与希格合作)和夏博诺使用同一架望远镜,几乎同时第一次观测到了次食。两个团队同时公布了他们对两颗不同恒星的观测结果——戴明团队的观测是已被广泛研究的HD 209458b,夏博诺团队观测的则是TrES-1。一年后,戴明的团队还观测到了太阳系外行星HD 189733b的次食。“这开启了用‘斯皮策’来观测次食的浪潮……”希格和戴明在2010年的一篇综述论文中写道,“准确地说,没有人预料到,作为探测太阳系外行星大气的工具,‘斯皮策’有这么强的能力和如此惊人的影响力。”实际上,希格说:“我们现在使用‘哈勃’和‘斯皮策’的方式,以及它们的观测精度,是当初建造这两台望远镜时所没有的想到的。”

betway必威官网手机版 12斯皮策空间望远镜可以探测到,太阳系外行星运动到宿主恒星背后时引起的恒星亮度的微小变化。图片来源:《环球科学》

不过,有项技术也能达到同样的精度,而使用的设备,不比一张普通桌子大。其所依据的原理是爱因斯坦自己半个多世纪前提出的另一个现象,即玻色-爱因斯坦凝聚。

寻找新太阳

行星的大气层

希格说,这些研究向我们证明了一些东西。“在某种程度上,这听起来平淡无奇,但我们发现类木行星的温度确实很高。我们测量了这些行星的亮度和温度”,而科学家观测到的结果与他们预期的、恒星对行星加热的效果是相符的。希格说,“我们还探测到了一些分子。那么,现在我们所发现的是否与我们所预期的大相径庭呢?肯定不是这样”。现在,物理学家可以在一定温度下,利用一些元素,直接构建气体球模型,然后分析最终会形成哪些分子。“物理和化学规律是普适的,”希格说。

然而,西格和其他天体物理学家也知道,尽管太阳系外行星的大气总体上相近,但每一颗行星在很多方面都有所不同。其中一点便是,温度是如何随着高度变化的。一些行星,例如太阳系中的木星和土星,温度具有逆增性,即随着距地面高度的增加温度不降反升。另一些行星则不存在这一现象。“问题是,”克努森说,“我们并不知道是什么原因造成了温度逆增现象,因此我们也无法预言,哪些太阳系外行星会或者不会具有这样的特征。”一些天体物理学家认为,具有逆温性的太阳系外行星可能含有一些吸热的分子,例如氧化钛,但到目前为止这还仅仅是一个假说。

科学家面临的另一个问题是,某些行星的大气组成是否和其他行星有所不同。现任职于美国耶鲁大学的尼库· 麦杜苏德汉(Nikku Madhusudhan)分析了太阳系外行星WASP-12b的可见光和红外信号,推测出这个行星的大气的含碳量异常高,与氧元素相当。

从理论上推测,如果在同一行星系统中,其他更小的行星上的碳氧比超过0.8的话(考虑到行星都形成于同一个气体和尘埃盘中,这是很有可能的),那么这些行星就会形成由碳化物——富含碳的矿物——构成的“岩石”,而不是我们太阳系中富含硅的硅酸盐岩石。如果这一现象确实存在,那么WASP-12系统中一颗地球大小的行星也许就会由钻石构成。

希格和其他人所撰写的论文提出,目前无法排除一些行星主要是由碳甚至是铁所构成的可能。然而,对于WASP-12而言,事情或许并非如此。克努森说,德国马普天文研究所的伊恩· 克罗斯菲尔德(Ian Crossfield)最近发现,来自WASP-12的光线中,还混杂有一个更为暗弱的双星系统的光线,这对于解释WASP-12系统中行星的组成,留下了一些疑问。

betway必威官网手机版 13自2011年起,天文学家平均每周都能发现3颗太阳系外行星,目前共发现861颗。这幅图描绘了这些已知行星到太阳的距离。点击查看大图。图片来源:《环球科学》

我们知道,微观粒子都是有自旋的,自旋是一种量子特性。一个粒子的自旋值,只能取普朗克常数的整数倍或半整数倍,如0、1/2、1、3/2……个普朗克常数。自旋为整数的叫玻色子;自旋为半整数的叫费米子。有趣的是,玻色子和费米子在集体行为上的表现却大相径庭。简单地说,玻色子喜欢“扎堆”,费米子喜欢“独处”。当许多玻色子聚在一起,步调一致地行动时,我们就称发生了“玻爱凝聚”。

中国天眼首席科学家李菂称,未来天眼将致力于探测各种脉冲星,特别是那些极具“个性”的,比如毫秒脉冲星、双星和伽马射线脉冲星等,在引力波、系外行星、超高能宇宙射线和星际物质探测等方面为世界做出贡献,提高人类对天文学、天体物理学和基础物理学的认识。

水世界?

到目前为止,天文观测都集中在太阳系外行星GJ 1214b上,这颗行星围绕着一颗红色的M型矮星转动,距离地球约40光年。如此近的距离使得GJ 1214b相对易于研究,而且它的直径仅为地球的2.7倍,比起最先发现的太阳系外热类木星,也更加接近地球。“它是每个人都钟爱的‘超级地球’,”美国芝加哥大学的研究生劳拉· 克莱德伯格(Laura Kreidberg)说,他目前正在分析一个观测项目所获得的数据。

GJ 1214b于2009年由“M地球”计划发现,该计划由夏博诺牵头,旨在搜寻M型矮星周围的行星。夏博诺的想法是,比起更大的恒星而言,在这些相对较小,而且比较暗弱的恒星周围寻找较小的凌星行星会更加容易。首先,对于这样的恒星,地球大小的行星能遮挡更多的恒星星光,也会对恒星施加更大的引力,让科学家更容易测定行星的质量,进而确定行星的密度。其次,由于恒星较小,温度较低,其宜居带会比高温的类太阳恒星更靠近自身,使得凌星现象会更可能被观测到(因为行星轨道与恒星较近的话,不需要严格地侧向面对观测者,也能产生凌星现象)。最后,银河系中M型矮星的数量要远远大于类太阳恒星——大约有250颗M型矮星与地球的距离在30光年之内,而在这一距离内,后者仅有20颗。

GJ 1214b还称不上是第二个地球:它的直径是地球的2.7倍,质量是地球的6.5倍,这使得它的平均密度介于地球和海王星之间。不过,如夏博诺和其他人在发现GJ 1214b后不久便意识到的,这一密度可以有多种不同的解释。例如,这颗行星可以是由一个较小的岩质核心,外加一个巨大的绝大部分是氢的大气层所构成;它也可以有一个较大核心,核心外周是较深的液态海洋,再外加一层富含水分的稀薄大气。仅仅根据密度,科学家无法判别哪种可能性最大——尽管拥有海洋的可能性会更令人兴奋,因为液态水是我们所知的生命存在的必要条件(但并不是充分条件)。

然而,当芝加哥大学的天文学家雅各布· 比恩(Jacob Bean)在不同波长上观测GJ 1214b,希望能看到这颗行星的大小变化(表征其大气的厚度)时,他没看到任何变化。这意味着两种可能性:要么这颗行星可能具有一个巨大的氢大气层,但其中充满着的云和霾使之难以探测;要么它有一个薄而多水的大气层,无法被地面上的望远镜观测到。2012年开始和比恩合作的克莱德伯格说,这类似于从远处看山脉。“那里也许有许多山峰,”她解释说,“但如果你距离太远的话,山脉看起来就会像一条平整的线。”

为了解决这个问题,比恩及其同事申请到了哈勃空间望远镜60个轨道的观测时间(也就是围绕地球运转60周的时间),他们的观测已经开始。这并非天文学家第一次用“哈勃”来观测GJ 1214b,却是迄今最深入的观测计划。比恩的这次观测,会使用2009年5月“哈勃”升级维修时新安装的大视场照相机3(Wide Field Camera 3)来进行观测。运气好的话,这一观测将最终会弄清楚,GJ 1214b是否一个水世界。

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终极目标

由于对太阳系外行星的搜寻已经持续了一定的时间,天文学家已开始寻找那些有着较长轨道周期的行星。这些行星远离它们的宿主恒星,因此会比早先发现的类木星的温度低。“长久以来,我们都一直局限在温度为1 500K、2 000K的行星,它们的温度实在太高了,”美国加州理工学院的克努森说。在这些行星上,“大气中的绝大多数碳会和氧结合,形成一氧化碳,”她说,“真正有意思的事情出现在当温度降低到1000K以下时,碳和氧会形成甲烷。”

尽管存在着不确定性(因为纯粹的地质活动也能产生甲烷),但作为生物活动的信号,甲烷尤其吸引人。氧,尤其是臭氧——由三个氧原子组成的高活性分子,更可能是生命存在的信号。但由于臭氧的光谱信号很微妙,特别在相对较小的类地行星大气中更是如此,因此臭氧也极难探测。

不过,对于温度适中的超级地球,天文学家则在密切关注这些行星上的各种活动迹象。“所有这一切仅仅是一个练习,”希格说,“我的意思是,研究超级地球确实很有意思,但对于像我这样的人来说,这类行星只不过是一块垫脚石,我们最终的研究对象,将会是真正的‘地球’大气层。”

不过,在詹姆斯· 韦布空间望远镜以及新一代巨型地面望远镜(包括巨麦哲伦望远镜和三十米望远镜)投入使用前,可能还没法找到其他“地球”。即便有了这些强大的设备,希格说,也要花费成千上万个观测小时,才可能找到其他“地球”。就算到那个时候也未必会清楚,到底能否探测到生命迹象。为此,天文学家可能仍然需要“类地行星搜索者”,但这个项目的经费已被大幅削减,确切的发射时间目前还不好说。

不过,迄今所取得的结果显然已经超出了任何人在20世纪90年代的预期,希格甚至已经可以谈论找到生命迹象的真实前景。我们所希望的,已不仅仅是外星文明会发现我们,向我们发送信号,我们已经在主动探索遥远行星上的大气,搜寻以那里为家的生命的迹象。

 

本文转载自《科学美国人》中文版《环球科学》2013年8月号,译者为谢懿,文字和图片略有改动。

对于原子,在通常温度下,由于受热运动的干扰,玻爱凝聚是不容易发生的。1995年,科学家首次实现了在极低温下气态铷原子的玻爱凝聚:当温度降低到10-7K时,一大群铷原子聚在一起,表现得就像一个量子物体。在此情况下,若稍有扰动,原子团中就会产生一种可观察的振动。

最近李菂的团队利用美国和欧洲三台望远镜的数据,第一次在银河系中发现了暗分子云,这一发现发表在《天体物理杂志》上,并被《自然》杂志作为研究亮点介绍。

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科学家最近证明,处于玻爱凝聚态的原子团,可以用来探测引力波。

氢是宇宙中最丰富的元素,主要以原子的形态存在,只有当它转变成氢分子后,才会在引力坍缩下点燃核聚变。银河系中的黑暗区域充满富含原子和分子的气体,以及宇宙尘埃,被称为星际暗云,在这里原子氢不断地转化成分子氢,并最终形成新的恒星和行星,照亮宇宙亘古的黑暗,诞生潜在的新生命和新希望。

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betway必威官网手机版 16​《环球科学》2013年8月号封面。图片来源:《环球科学》

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这些原子是被周围许多束激光困在一个“陷阱”里才实现玻爱凝聚的。先前的实验已证明,改变这口“陷阱”的尺寸或形状,即可对里面处于凝聚态的原子团产生干扰,形成振动。若有引力波传来,由于它是空间本身的一种波动,那么它就可能对“陷阱”的尺寸或形状产生影响,我们在原子团中就能探测到振动,从而证实引力波的存在。

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当然了,这种装置太敏感了,所以实验时我们要排除外界的一切干扰。

原子氢转变成分子氢的关键步骤发生在星际暗云的外壳,中国研究团队开发了一种被称为中性氢窄线自吸收的新的观测方法,直接测量分子云中的氢原子柱密度,获得了分子氢形成速率,并最终得到了星际暗云B227的化学年龄——大约600万年,尚处于婴儿时期。天眼团队将利用中国天眼,深入研究宇宙中的星际暗云,寻找分子云的形成和演化规律。

搜索高智文明

目前科学家们还不知道在分子云中形成一颗恒星需要多长时间,经典模型认为需要1000万年,而一些科学家则认为只需要100万年,李菂团队的发现更支持经典模型的研究。未来中国天眼高灵敏度的观测,以及在天空覆盖方面的优势,将让科学家们能更深入地研究银河系及邻近星系仙女座中的分子云,并最终确定恒星形成的速率——德雷克公式中至关重要的第一项,为寻找银河系内可能存在的外星文明提供重要的依据。

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德雷克公式通过恒星形成速率、恒星存在行星的可能性、宜居带内行星数、行星发展出生命的可能性、高等智慧生命出现的可能性、高智生命能够通讯的可能性以及高智生命的预期寿命等7个参数,来估测银河系中可能与我们接触的外星高智生命的数量。由于科学家们对这7个参数的估值分歧严重,银河系中高智文明的数量也处于从悲观的数个,到乐观的数千万个之间的巨大差异,如果能科学地测定其中任意一项,都将对高智文明存在的概率估算产生重要影响。

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中国天眼在调试期间的性能已经超出科学家们的想象,正式验收后将开始雄心勃勃的观测计划,除了脉冲星和分子云的探测,还将加入国际合作,用于与生命起源相关的太空分子观测,以及搜寻潜在的地外文明发来的信号等。这些观测项目将在未来几年内进行,科学家们认为,中国天眼将对世界天文学和天体物理学领域产生深远的影响,虽然我们还无法预测它会发现什么,但它可能会深刻地改变我们对宇宙的认识。

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