科学脑洞——开普勒-452b能看到我们吗? 胡晓,搞天文的军事杂家 NASA 发现了有史以来最接近地球的行星(包括所处恒星系统),我相信不少网友已经开始思考这样一个问题——我们这么轻易地(NASA 可不同意)发现了一颗类似地球的行星,那这颗行星上如果进化出了高级文明,岂不是很容易发现我们?既然这颗行星比地球老 15 亿年,上面的文明会不会也比我们先进 15 亿年?如果是他们为什么不过来拍死我们?blablabla…… 虽然现代的天文观测设备已经非常先进(搞观测的:这么烂的仪器还得写这么长的 proposal 还不一定过;搞仪器的:快给钱快给钱快给钱,叔叔给你造更大的),但是很多天文现象依然只是“统计意义上”能观测到。早年有类星体的喷流,因为相对论聚束效应导致差不多得对着地球“喷”才能看得到;最近的例子就是系外行星了:虽然理论上大多数恒星都应该有行星存在,但我们目前确认的系外行星却只有 1000 多颗,而如果你曾在天气晴好的郊外过夜(“真是家常便饭”),就知道肉眼可见的恒星就超过 4000 颗。这次发现 452b 的太空望远镜 Kepler 则总共观测了超过 30 万颗恒星,行星发现率只有 0.33%——是因为 Kepler 不行吗?是,也不是。 Kepler 发现行星,依赖的是所谓凌星法——当行星经过恒星和 Kepler 的视线之间时,会挡掉一点点恒星的光亮,虽然我们无法像观测金星凌日那样分辨出那个小黑点,但如果我的仪器探测亮度的灵敏度够高,就可以感受到这一丁点亮度的降低——显然,这对行星的轨道有着严格的要求——从我们看来,如果这个行星系统的轨道构成一个圆盘的话,这个圆盘的边缘几乎得完全正对着太空中的 Kepler。 反过来,对于外星人来讲,如果想用类似的方法观测地球,他们所处的位置也有着同样严格的要求。具体算来,考虑到太阳本身有大小,而地球到太阳的距离差不多是太阳半径的 215 倍,那么他们必须处在与轨道平面夹角 0.266 度的范围内才能看到地球造成的凌日! 而我们的 Kepler-452b 在哪呢?主星 Kepler-452 的天球坐标是: 赤经 19 时 44 分 0.9 秒 赤纬 44 度 16 分 39.2 秒 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8f/Ecliptic_equator_galactic_anim.gif 几个不同的天球坐标系统,蓝色代表赤道,红色代表黄道,黄色代表银道(wiki 这颜色完全对不上嘛) 这是依据地球赤道为基准的坐标系,换算成以地球公转轨道(黄道)为基准的坐标就成了: 黄经 315.48 度(懒得换算成时分秒了) 黄纬 63.88 度 太遥远了。前面说过,黄纬必须在正负 0.266 度之间的才能看到地球凌日。 实际上整个天鹅座都无法看到地球。而 Kepler 当初也是特意选定了这样一个天区,因为可以更方便的避开太阳的干扰。 所以,如果他们并没有发展成大规模星际文明,可以轻易发射可以航行光年尺度的探测器,那么如果使用类似 Kepler 的技术进行巡天观测的话,一来为了避开他们自己的“太阳”会避开地球所在的天区,二来即使朝向地球观测也无法观测到地球凌日。 写到这里,支持视向速度法的人们开始欢呼“凌星法是邪教,RV(radial velocity,视向速度)才是正统!” 好吧,让我们看看视向速度法能否观测到地球。 所谓视向速度,指的主要是可以观测到的恒星的视向速度变化——因为行星也有质量,所以在一个恒星——行星系统里,恒星实际上也在“公转”:绕着公共质心的运动。虽然是个圆周运动,但从遥远的观察者看来,基本只能看到恒星在左右摆动,只是这个摆动通常很小,现有仪器很难分辨(依然有少数成功的例子),但是,如果我们能精确的记录这颗恒星的光谱的话: 由于多普勒效应,这颗恒星光的波长会在朝向我们运动时变短(蓝移),背向我们运动时拉长(红移),以足够高的频率记录恒星的光谱,就能知道它不同时刻的视向速度: http://2.bp.blogspot.com/-4XdTjABzadQ/UUS24hnoPZI/AAAAAAAABS8/OzjqZflhSR4/s1600/vitrad.gif 显然,如果和凌星法一样从轨道平面观测,这种效应显然是最强的。但即使偏出轨道平面很多(比如夹角 60 度),这个效应也就只是按照余弦函数衰减而已。对于 Kepler-452b,地球的 RV 信号差不多衰减了一半。 根据动量守恒,可以很容易的估算出地球对太阳造成的视向速度的振幅,这个数值差不多是 0.1 米 / 秒,考虑到角度造成的衰减,所以是 0.05 米 / 秒。目前人类最好的仪器差不多是 0.5 米 / 秒,要差上十倍。 十倍看上去并不是不可弥补的差距,不过我们还可以估算一下其他行星对太阳视向速度的振幅: 水星: 0.004 m/s 金星:0.042 m/s 火星:0.007 m/s 木星:6.254 m/s 土星:1.387 m/s 天王星:0.148 m/s 海王星:0.139 m/s 显然,从 Kepler-452b 上的居民看来,太阳的视向速度信号主要有两个成分:6 米每秒的木星和 1 米每秒的土星,而且周期很长。相比之下地球的信号强度要小很多,如果仪器精度不是那么高的话(我觉得至少得有 1cm/s),倒是很有可能把地球当成噪声给滤掉(这句话有些信口开河,毕竟地球的信号强度虽低,但还是有规律的,主要还是得看仪器精度)。 看来,对于 Kepler-452b 的居民来说,我们的地球“藏”的不错,但努把力还是能找到这颗“暗淡蓝点”。 PS:发现系外行星的方法有很多,这里介绍的是目前最主流也是效率和精度最高的两种。感兴趣的可以参看维基词条:https://zh.wikipedia.org/wiki/系外行星偵測法 ——————————————— 发自知乎专栏「谈兵论道」