如果望远镜足够大 可以直接看到外星人吗?

来源:cnBeta | 2022-05-06 15:32:06 |

这颗想象中的类地行星是一颗岩质行星,拥有稀薄的大气,位于恒星宜居带内。行星上有海洋、大陆和云层,地表还可能拥有宏观生命形式。要想从几光年之外观察它们,必须要有一台巨大无比的望远镜才行。

目前科学家搜索地外生命主要有三条路径。第一条是向太阳系之内可能拥有生命的星球发射轨道探测器、登陆探测器、漫游车、以及飞掠探测器;第二条是对我们已经发现的遥远系外行星展开进一步分析,希望能找到一些生物特征、或至少找到一些与生物有关的蛛丝马迹。第三条则是寻找技术特征,比如由智慧文明创造的非自然信号。除此之外,还有些人甚至在寻找地球上已经出现外星人的证据,不过这类研究的科学价值颇受争议。

但如果我们强烈怀疑,宇宙中也许不仅存在外星人、甚至还有与人类体型相仿的外星人呢?我们能直接看见它们吗?于是有人提出了这么一个问题:“如果我们造一台足够大的望远镜,能否看见外星人在其它行星上走来走去呢?”

图为当时尚属全新的哈勃望远镜于1990年拍摄的第一张照片。没有了大气的干扰,再加上哈勃的大口径,其拍摄行星系的分辨率远胜任何地面望远镜。分辨率主要取决于光线波长与主镜直径的比例。

尽管存在障碍,但这种设想的确是有可能实现的。为此,我们首先要解决以下几个问题。

首先,对任何光学系统而言,最重要的一点、也是最基础的一点都是分辨率。要想看到大小为1米的物体,望远镜的分辨率最好也能达到1米、甚至能看到更小的东西才行。但在使用望远镜时,我们关注的并非观察对象的实际大小,而是角大小。这种角分辨率意味着,只有当物体与我们的距离处在某一范围内时,我们才能敏感地发现特定大小的物体,位于这一范围之外的物体则不行。

你也许听说过,望远镜的分辨率由自身大小决定,这在一定程度上是正确的。望远镜分辨率不仅取决于主镜直径,还取决于其观察的光线波长。说得更准确些,望远镜分辨率主要由波长与主镜直径的比例决定。例如,詹姆斯·韦伯空间望远镜口径为6.5米,可观测的光线最短波长约为550纳米,最长为28000纳米,因此它能实现的最大分辨率介于短波的0.03角秒到长波的1.4角秒之间。

这三张图片模拟的对象都是NGC 3603,分别来自哈勃望远镜(左图)、甚大望远镜(中间)、以及正在建设中的欧洲极大望远镜(左图)。图片清晰度的提高反映了望远镜分辨率的增加。

要回答上面的问题,我们先以低地轨道上最强大的望远镜——哈勃望远镜为例。以它在太空中的位置,哈勃望远镜能看到地球上的人类吗?

这张照片由宇航员凯伦·尼伯格于2013年从国际空间站上拍摄。要想在国际空间站的高度上看见地球上的人类,得使用哈勃那么大的望远镜才行。

请你先凭直觉猜一下:能,还是不能?

好了,接下来让我们揭晓答案。哈勃望远镜的主镜直径为2.4米,位于地表上方约547千米处。假设人的尺寸约为1米(从上往下看时,如果你处于直立状态,这个尺寸就会小一些;但如果你是躺在地上,这个尺寸就会大一些,所以我们取个均值),转化成角尺寸,相当于0.000105°、或0.37角秒。哈勃望远镜只能在可见光波段达到这样的分辨率,所以如果我们的颜色为蓝、紫或紫外光,答案就是“能看见”;但如果我们的颜色偏红,答案就是“不一定”了。

利用可见光寻找人类再合适不过了,如果行星大气类似于地球、可见光穿透力很强,那就更加理想。短波光线具有分辨率更大的优势,但行星大气对伽马射线和X射线基本是不透明的。紫外光大部分也会被阻隔在外,如果有保护臭氧层,阻挡效果会更加明显。即使我们将望远镜送入太空,也可以借助在地球大气中穿透力很强的这类光线搜索人类。

这张由尼尔·阿姆斯特朗拍摄的经典照片记录了巴斯·奥尔德林将美国国旗插上月球表面的情景。注意一下前景中的脚印。这些脚印从月球轨道上依然清晰可见,但地球上的望远镜分辨率则远远达不到要求。

要想用哈勃望远镜(或其它合适的仪器)搜索外星球上的“人类”,我们只需要弄清观测对象离我们有多远,就能知道要造多大的望远镜了。计算起来很简单:如果想以相同的分辨率、观察比哈勃望远镜范围上限远10倍的物体,只需要让主镜直径达到哈勃的10倍即可。接下来就让我们看看,要想寻找不同距离之外的外星人,究竟需要造多大的望远镜。

月球

先让我们看看离我们最的邻居、地球的天然卫星——月球。就行星距离来说,月球离我们比太阳系中的任何天体都要得多,甚至到能让我们在月表登陆。月球围绕地球旋转的轨道为椭圆形,而不是正圆形,因此离地球时时远。位于地点时,地月距离为356500千米;远地点时则为406700千米。从低地轨道到月球,光线的均传播距离约为38万千米。

图为欧洲极大望远镜全新的五镜光学系统。在进入望远镜内部的科学仪器前,光线首先经过直径39米的凹面主镜(M1)反射,然后到达两片直径4米的镜片,分别为凸面镜(M2)和凸面镜(M3)。最后两片镜片(M4和M5)构成了内置自适应光学系统,可以在最终的聚焦面上形成清晰度极高的照片。主镜由798片镜片组成。

这就意味着,我们若想用哈勃观察地球时的分辨率观察月球,望远镜口径需达到1650米。造出这么巨大的望远镜堪称壮举,但也代价惊人。人类建造的最大的望远镜为欧洲极大望远镜,直径39米,目前还在南半球施工中。其主镜由789片六边形镜片组成,每片直径1.4米。要想造出1600米口径的望远镜,大约需要140万片这样的镜片。

金星与火星

假如我们不想将视线局限在月球上,还想在太阳系宜居带内的其它行星上寻找外星生命,那就是金星和火星了。尽管这两颗行星到地球的均距离都超过了1亿公里,但在围绕太阳旋转的过程中,它们和地球之间的距离有时会大大缩短。金星距地球最能达到3800万公里,火星则为6200万公里。

如何让视线穿透金星厚厚的云层是一项相当大的挑战。我们偶尔才能在可见光下看见金星表面,即使这样也需要云层刚好裂开一条缝才行。而火星就轻松多了,因为火星的云层和大气都很稀薄,穿透很强。只要没有暴风雨,即使从很远的地方也能看见火星表面。

按这样的距离来算,要想看见金星表面的“人”,望远镜口径需达到161千米,火星则为263千米。前者相当于新泽西的面积,后者更是和整个西弗吉尼亚相当。

木星卫星

也许有朝一日,我们不仅能在太阳系中的岩质行星上发现生命,还能在气态巨行星的某颗卫星上发现。太阳系中离我们最的气态巨行星是木星。人们普遍认为,木卫二和木卫三拥有适宜生命存活的特征。与到地球的距离相比,这些卫星到木星的距离几乎可以忽略不计。在最靠地球时,木星离我们“只有”5.88亿公里。

科学家几乎可以肯定,木卫二冰封的表面之下有一片地下海洋,但并不清楚这层冰可能有多厚。艺术家绘制了两张木卫二冰壳的截面图。在两张图片中,热量都会以海底火山的形式从木卫二的岩质地幔中逃逸出去,然后由洋流带到地表。要想从地球上观察到木卫二表面与人类大小相当的物体,需要一台阿拉斯加那么大的望远镜才行。

这样一来,我们所需的望远镜口径为2500公里,面积大致与美国阿拉斯加州相当。这种规模的望远镜已经大到难以想象了,因为直径已经达到了月球的四分之三。但事实就是如此,要想从数亿公里之外拍到人类那么大的物体,就是需要这种天体尺度的望远镜。随着距离进一步增加,情况还会更严重。

通过这根刻度尺可以看出,有些天体离我们是多么遥远。各个行星、柯伊伯带、奥尔特云、以及离我们最的恒星都在图上。要想保持相同的分辨率,距离每增加10倍,主镜直径也要增加10倍。

土星、天王星、海王星和更远的星球

土星到地球的距离约为木星的两倍,距地球最时为12亿公里,望远镜口径需达到5000公里,几乎与土星最大的卫星、也是太阳系中第二大的卫星土卫六相当。

天王星到地球的距离又是土星的两倍,即使距离最时也足有25.7亿公里。望远镜口径需达到10800公里,约为地球直径的85%。

海王星距地球最时为42.98亿公里,望远镜口径需达到17800公里,相当于地球的1.5倍。

至于柯伊伯带上的天体,我们得打造一台直径达到地球两三倍的望远镜才行。要想看到奥尔特云,望远镜口径几乎要与太阳相当。更别提围绕其它恒星旋转的行星了。

波江座51b于2014年由双子座行星成像仪发现。它的质量为木星的两倍,是目前拍摄到的温度最低、质量最小的系外行星,到中央恒星的距离只有12个天文单位。要想拍摄到这颗行星上人类大小的物体,望远镜分辨率需达到目前最高水的数十亿倍。

系外行星

除非我们决定将人类送到太阳系的其它星球上,否则在这些世界发现自然演化出的人类的概率几乎为零。但在太阳系以外的行星上,也许会存在与人类体型相仿的生物。

我们到最的恒星的距离介于4光年至10光年之间,其中有些恒星的行星也许不仅宜居,甚至可能拥有类似人类大小、或者体型更大的生命形式。

要想看到几光年之外行星上1米长的物体,又需要多大的望远镜呢?

对于离我们最的比邻星系中的行星,望远镜口径需与地球的公转轨道相当。对于天仓五周围的行星,望远镜直径要达到小行星带的直径才行。要想观察TRAPPIST-1系统中的行星,望远镜需要达到土星轨道大小。这些尺寸是不是听上去大得惊人?这大概就是为何从未有人提出直接通过望远镜观察、搜索外星生命的原因吧。

阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列由一系列射电望远镜构成。该阵列的聚光能力相当于各个望远镜的总和,但分辨率则将望远镜之间的距离也算在内。

不过,虽然可能很小,但我们依然有可能在技术上找到解决之道。要打造一台极大的望远镜,有两点最为关键:一,它必须能聚光,而且聚光能力必须与表面积相匹配;二,分辨率必须足够高,能够将不同的物体区分开来,而且分辨率需与主镜上能容纳的波长数量相匹配。

但如果我们观察的对象足够明亮,聚光能力也许就不那么重要了,只需保证分辨率够高即可。

对于超长波光线,有一种名叫特长基线干涉测量法的技巧,而这种技巧从理论上来说也可用于可见光波段。如果我们能在太阳系中建立起一个小型光学望远镜网络,虽然其聚光能力仅为这些望远镜的总和,但分辨率却可以将这些望远镜之间的距离也计算进去。

这固然是项极大的挑战,但若能设法实现,我们的成像细节度将达到前所未有的水。尽管这注定是条漫长的征程,但要想知道外星生命究竟长什么样,这或许是我们最大的希望了。

关键词: 类地行星 太空探索 外星生物勘察 哈勃望远镜


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