如何探测太阳系外星探测器的热量并搜索其他星球上的城市灯光?

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艺术家对詹姆斯-韦伯太空望远镜的渲染。资料来源:(欧空局)
艺术家对詹姆斯-韦伯太空望远镜的渲染。资料来源:(欧空局)

【明德网李文涵综合编译】作者阿维-罗布:如何探测太阳系外星探测器的热量并搜索其他星球上的城市灯光?我们可以用詹姆斯-韦伯太空望远镜做到这一点,但我们也必须回到我们在青少年时期的不加过滤的好奇心。

我与一群高中生就我的《外星生物》一书进行的最引人入胜的对话之一。他们是真正的好奇心,没有带着偏见或自视甚高的包袱。在我们谈话的最后,他们提出了一个最重要的问题:“我们文明的主要目标是什么?”

我解释说,人类议程上最重要的两项任务是延长我们文明的寿命和探索宇宙。

第一个目标包括治愈大流行病,防止战争,限制气候变化,使有威胁的小行星远离地球,并最终通过进入太空将我们的 “鸡蛋 “分散到多个篮子里。迄今为止,探索的目标是用望远镜或通过发送航天器到太阳系内的目的地来追求的。

但我们可以做得更好,从字面上讲,我们可以向着星星前进。我担任顾问委员会主席的Starshot项目,旨在发射一个探测器,在几十年后访问最近的恒星系统,即半人马座阿尔法星。这需要以光速的一小部分移动,比化学火箭的速度提高了一千倍,类似于从T型福特车到新视野号飞船的速度跳跃。

Starshot技术,即由强大的激光束驱动的光帆,很久以前就在罗伯特-福雷德在1962年,即我出生的那一年写的一篇文章中得到了想象。Starshot试图实现约翰内斯-开普勒(Johannes Kepler)在1610年给伽利略-伽利莱(Galileo Galilei)的信中所想象的概念:”如果有适合天空微风的船只或船帆,即使在那片广阔的土地上,也会有一些人不会退缩”。到其他恒星周围的新世界旅行可能比向欧洲人揭示美洲的探险队更具有革命性。

孩子们追问道:“我们是否应该期待有类似目标的外星文明?”我出于宇宙的谦虚,回答 “是”。来自开普勒太空望远镜的最新数据暗示,大约一半的类太阳恒星有一颗地球大小的行星,与它们的距离差不多。银河系中数百亿颗类似地球的行星表面有类似的温度和化学物质,这可能导致多个技术文明能够发射类似星光的探测器。大多数恒星的形成比太阳早几十亿年,使这些探测器有机会多次穿越银河系,远在我们存在之前。

下一个问题是显而易见的:“我们能否探测到以一小部分光速呼啸穿过太阳系的星际探测器?”

幸运的是,我已经定量地研究了这个问题。在与我的同事Thiem Hoang的一篇论文中,我们计算出计划于2021年10月31日发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜(JWST)可以探测到来自附近探测器的红外热辐射,这些探测器大于一个足球场,并且运动速度超过光速的十分之一。即使没有船上的人工照明,与行星际摩擦产生的不可避免的热量,在距离柯伊伯带几倍的地方都可以探测到,是地球与太阳距离的一百倍,大约是两个旅行者号飞船的位置。

由于JWST的视场相当有限,因此覆盖更大范围天空的巡天望远镜会更有效地发现探测物。但我们会注意到在我们的天空中如此快速移动的异常物体吗?天文学家通常关注那些以每秒几十英里的速度移动的太阳系天体,这是彗星或小行星在地球附近的典型速度。这个速度比光速慢一万倍。以光速的一小部分移动的异常值可能看起来很不寻常,以至于可以被忽略。

此外,比自由女神像高度小得多的物体也往往会被遗漏,因为它们不能反射足够的太阳光,而太阳是照亮地球-太阳区域内黑暗空间的光柱。可能有许多小型探测器漂浮在太阳系中,会被Pan STARRS甚至即将到来的Vera C等侦察望远镜所遗漏。鲁宾天文台。

鉴于星际探测器发出的潜在威胁,对它的探测可能是令人震惊的。一旦勘测望远镜发现一个从星际空间抵达太阳系的不寻常物体,我们就可以发射一个航天器,拦截它的轨迹并对其进行检查,就像OSIRES-REx任务登陆并对小行星Bennu进行采样一样,该小行星将于2023年9月24日由一个返回舱带回地球。

考虑到我们可以获得比我们目前拥有的技术先进得多的技术,学生们很高兴听到在人造物体上着陆并返回样本的任务的潜力。在他们看来,这种体验将类似于测试未来主义手机功能的快感,早在其公开发布之前。

在我与学生交谈的几个小时后,我收到了他们的老师发来的信息:“非常感谢你的演讲,非常有趣!”我们都很喜欢它。因为你的介绍,我现在对天文学领域很感兴趣。 谢谢你抽出时间与孩子们交谈的善意!”

但事实是,我从交流中受益更多。今天的年轻一代给我带来了对美好未来的希望。我们的孩子有一天可能会与系外行星上的其他孩子联系。当面对一个新的物体时,大多数孩子都会以开放的心态从各个角度来审视它。另一方面,成年人从一个固定的角度来进行评价,以节省基于过去经验的努力。当《哈佛公报》要求我确定一件将改变世界的事情时,我表示希望我未来的同事们在探索我们天空中似乎与我们以前所见不同的新物体时,能够表现得更像今天的孩子。

大约十年前,我和普林斯顿大学的一位同事埃德-特纳一起参加了纽约大学阿布扎比校区的落成会议。会议包括对附近地区的参观,期间,当地导游吹嘘说,从月亮上可以看到城市的灯光。埃德和我互相看了看,想知道:哈勃太空望远镜(HST)能从多远的地方探测到城市的灯光?

在接下来的一天里,我们计算出哈勃深场可以在柯伊伯带物体中看到一个像东京这样的城市,其距离是地球和太阳之间的30-50倍。但是,如果人造光的颜色相似,我们能否将人造光与太阳光的自然反射区分开来?

在回答这个问题时,埃德和我偶然发现了一个关于观察到的通量与光源距离的关系的关键想法。反射太阳光的通量随着反射器到太阳的距离的平方(关于被它拦截的太阳光)乘以它与我们的距离的平方(关于我们接收的光)而反式减少。对于非常遥远的来源,这些因素的乘积意味着距离的四次方的反向衰减。另一方面,一个自身产生光的人工光源就像一个灯泡,它的衰减只与它与我们的距离的平方成反比。通过检查一个柯伊伯带的天体在沿其轨道后退时,是否会随着距离的增加而反式变暗,我们可以推断出它是否会发出自己的光。

巧合的是,柯伊伯带天体的主要观察者之一在事后访问了我的办公室。我不失时机地问他:”你有没有检查过柯伊伯带物体的亮度是如何沿其轨道随距离变化的?“他毫不犹豫地回答:”我为什么要检查?它应该遵循预期的对反射太阳光的依赖性“。对此,我只能说:“如果你不愿意发现奇妙的东西,你就永远不会发现它们。”

但我很有耐心。教育需要时间,特别是在涉及到科学家的时候。最近有人问我,人类可以对自然界保持无知多久,我回答说,人们可以拒绝考虑与他们的信念相矛盾的证据达数千年之久。我们位于宇宙的中心,或者战争的结果是由天上的行星和星星决定的观念就是这种情况。我们无知的范围是无限的。我们可以选择永远保持不知情,就像动物一样。

诚然,在太阳系外围不太可能有像东京市那样明亮的光源,除非它与一个巨大的过往航天器有关。但我们有可能从其他恒星周围的宜居行星上寻找人造光。

最接近的是Proxima b,这是一颗位于我们最近的邻居–半人马座矮星–的宜居区的行星,距离4.25光年。由于这颗行星距离其暗淡的恒星比地球距离明亮的太阳要近20倍,因此比邻星被认为是潮汐锁定的,具有永久的白天和夜晚的一面(就像月球在任何时候都以同一面面对地球一样)。比邻星b上的技术文明可以选择将热量和电力从温暖的、有光的白天一侧转移到凉爽的、黑暗的夜晚一侧。例如,这可以通过在白天的一面涂上从星光中发电的光伏电池来实现。在与我的前博士后Manasvi Lingam的一篇论文中,我们表明,根据太阳能电池板对星光的反射所表现出的光谱边缘,可以用未来的望远镜探测到太阳能电池板对日面的大量覆盖。

这提出了一个有趣的假设性问题。如果比邻星b的夜面被人造光照亮,我们能否用HST的继任者,即计划于今年发射的詹姆斯-韦伯太空望远镜(JWST)来探测它?由于JWST比HST更大、更敏感,它将使我们能够在太空中看得更远,并将搜索人造光的范围从柯伊伯带扩大到像Proxima b这样的宜居系外行星。我与斯坦福大学的一名本科生Elisa Tabor在一篇新论文中探讨了这个问题。

我们计算了部分被照亮的比邻星b在绕其恒星运行时的预期光曲线。我们的计算表明,JWST将能够探测到夜间一侧的发光二极管(LED)灯,这些灯占其白天一侧的恒星照明的5%。但是,即使人工照明和我们的文明目前在地球夜间使用的照明一样弱(0.01%),只要限制在比星光窄1000倍的频段内,JWST就能探测到它。未来的观测站,比如拟议中的大型紫外光红外探测器(LUVOIR)空间望远镜,将能够探测到比邻星b的夜面甚至更暗的人工照明水平。

寻找宜居行星上的城市灯光似乎是推测性的,但它作为一种可能的技术特征,值得用计划中的仪器去追求。比邻星每11.2天绕其恒星运行一次,为其潜在居民提供了32.6次庆祝生日的机会,比我们在地球上每365.2天一次的机会多。如果未来的望远镜探测到该信号,那么在比邻星b的夜间生日派对上对亮光的高要求将成为我们也要庆祝的理由。

 

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