流浪行星，那些星际孤儿的透镜追踪
本期主播
毛淑德 高山书院顾问委员会委员 清华大学教授、天文系主任 | |
程巍William 高山书院2019级学员 火箭派航天、达尔文细胞创始人 深潜技潜极限运动员 登山运动员，2017年登顶珠峰 美国FAA飞行员 |
什么是流浪行星
William：
您研究的流浪行星，让我不禁联想到刘慈欣的小说《流浪地球》。从科学上讲，流浪行星到底是什么？它是如何形成的？
毛淑德：
一般来说，行星都会围绕某个恒星转动；而流浪行星指的是一些脱离了主恒星的引力范围、不被主恒星引力所束缚的行星。
关于流浪行星的形成，有一种理论认为，早期太阳系或其他系统的形成是一个混沌的过程，由于天体之间的相互作用、引力散射，部分行星脱离了主恒星的引力束缚，被抛到了星际中，在星际间自由飘荡。
另外还有一种理论认为，流浪行星有可能是在孤立的、密度很高的环境（比如星云）里直接形成的。
William：
那么，这些流浪行星会不会某一天再次被其他恒星或行星系统捕获？
毛淑德：
有可能，但概率非常小，因为宇宙中绝大部分的空间密度极低。像球状星团之类的致密星团捕获流浪行星的几率会大一些，但也不是特别大。
William：
在一些科幻作品中，很多邪恶的生物来自被放逐的、遥远冰冷的流浪行星。事实上，流浪行星上可能存在生物吗？
毛淑德：
从能量的角度看，流浪行星接收到的光很少，以致温度特别低，存在生物的可能性很低。如果在这样的超低温恶劣环境下真能存在某类生命，那么他们在宇宙绝大部分环境下都能存活下来。不过宇宙总是存在很多让人意想不到的事，所以不乏这种可能性。
William：
您研究的另外一个领域是暗物质，暗物质和流浪行星有没有什么关系？
毛淑德：
在天文学历史上，黑洞、系外行星曾被视作暗物质的候选体，因为系外行星基本不发光，而黑洞周围如果不存在吸积盘，不产生X射线的话，也是黑暗一片。
但现在已经基本排除了这些可能性。一个主要的原因是，如果暗物质是由它们组成，我们所观测到的背景恒星所造成的微引力透镜效应事件的数量，应该远远大于我们现在观测到的。当然，天体物理学也有其他证据显示：暗物质不太可能由流浪行星、黑洞组成，而是由基本粒子组成。
搜寻流浪行星
William：
我们为什么要寻找流浪行星？它的科学意义是什么？
毛淑德：
从科学的角度上，这本身就是一个很有趣的问题。如今我们知道太阳系有八大行星。但在太阳系形成初期，只有这八个吗？会不会有其他的？
太阳系形成过程中，一些行星可能因为行星之间的相互作用被排除到了太阳系之外，成为流浪行星。这当中既可能有“流浪地球”（质量与地球相当的流浪行星），也可能有“流浪木星”（质量与木星相当的流浪行星）等。
寻找流浪行星，并精准测出其质量、数目，对于我们理解太阳系或其他星系的早期形成、动力演化过程等有着重要的意义。
William：
流浪行星，有的质量大、有的质量小，而本身又不发光，那么我们要怎么找到它？
毛淑德：
个别质量比较大的流浪行星会发出微弱的光，我们可以通过这些光探测到它们。不过发现流浪行星最主要的方法是利用它的引力效应，即微引力透镜效应。
当我们从地球观测遥远的恒星，如果中间有天体（如流浪行星）穿过，该天体的引力场就会像眼镜镜片一样，对背景恒星的光线产生聚焦作用，导致它的光度增加，并产生光面曲线；随着天体移开，没有了聚焦效果，背景恒星又再恢复到原来的光度。微引力透镜效应的其中一个特点是：同一个事件只能观察一次，不会重复发生。
一般来说，“流浪木星”引起的光度增强的时间大概是一天左右，而“流浪地球”约几小时，所以要想观测到这个由引力聚焦所致的短暂光变，需要24小时不间断地监测深空。
William：
根据目前的观测，流浪行星的数量有多少？离我们最近的流浪行星有多远？
毛淑德：
通过微引力透镜效应初步的统计分析，一颗恒星平均有多颗流浪行星。现在银河系已知的恒星数量在千亿级别，那么流浪行星的数目可能也在几千亿量级，但具体数目还不确定，这也是天文学家想进一步研究了解的前沿方向。
用微引力透镜效应观测到的流浪行星距离我们都比较远，因为当背景恒星离我们足够远，中间出现其他天体，进而被引力聚焦的可能性才足够大。最有可能发生微引力事件的距离，是我们与背景恒星的距离的一半。目前我们观测到的微引力透镜事件，主要发生在离我们约24,000光年左右的地方。
William：
我们所看到的流浪行星在银河系当中是均匀分布的吗？
毛淑德：
我们猜测，恒星密度较高的地方流浪行星也较多，因为它被散射出去的可能性更大；但它们在空间上具体是怎么分布的，现在还不是很清楚，也是我们很想知道的一个问题。
望远镜观测
William：
望远镜等科学设备及观测手段的哪些提升，能够帮助天文学家发现更多数目的流浪行星？
毛淑德：
望远镜视场（望远镜所能看到的天空范围）越大，观测到的星星数目越多，那么能观测到的微引力透镜事件也越多。对系外行星的观测，望远镜口径不需要特别大，但视场要够大、够清楚，另外需要建在大气性质很好的地方。
目前这个领域里世界最好的望远镜系统，一个是波兰在智利建造的1.3m口径“华沙”望远镜，这个项目已经进行了30年；另一个是韩国在南非、澳大利亚、智利3个经度不同的地方分别建造的1.6m口径望远镜，可以对同一天体进行24小时实行监测，视野更是达到4平方度，这对天文学家来讲是非常开阔的。
William：
我了解到您正在参与一个寻找流浪行星的望远镜项目——“地球2.0”。您能否给我们详细介绍下这个项目？
毛淑德：
“地球2.0”（Earth Two，简称ET）的项目负责人是上海天文台葛健研究员，多伦多大学天文系教授武延庆也发挥了重要作用。
2019年12月3日，上海天文台提出了一个寻找地球2.0的空间计划，简称为ET，由7个中等大小的广角望远镜组成。这个卫星准备瞄准开普勒及其附近的几个天区，持续4年监测二十多万个亮星，以捕抓到行星凌星时的微弱信号。目前猜测每十个太阳中大约有一个有地球2.0。如果对的话，ET就能在4年内找到十几个“地球”。除此之外，ET还能找到近千个宜居带外的类地行星，对这些二代行星进行第一次“人口普查”。（引自武延庆《寻找地球2.0，答案或将由中国给出》）
这个计划主要使用“凌星法”进行观测，我们也在讨论能否在同一个望远镜上设置一个30cm左右的望远镜，用于观测微引力透镜效应，同时使用两种方法进行观测。如果能够实现，这将会是国际首例！这样做的优点在于，凌星法发现主星附近的系外行星，微引力透镜法用于发现比较远的系外行星，两个方法互补，将有助于我们理解系外行星的早期形成。
William：
在望远镜这样的科学设备上，我们和其他国家相比，有哪些优势或差距？
毛淑德：
中国望远镜的现状有悲有喜。中国的望远镜，如FAST在射电波段的灵敏度领先世界，将会带来更多的科学发现，而LAMOST望远镜的建设也让我们在技术、人才等方面上取得了长足的进步。
但是我们也必须清醒地认识到我们跟欧美科技强国的差距，尤其是光学红外波段的望远镜。由于缺乏红外波段的观测器材，国内很多相关研究，像是系外行星的尘埃观测、宇宙天体红移现象观测等都无法开展。
此外，在口径方面我们也存在一定的差距。目前国内最大的通用望远镜口径是2.4m，而国外已经达到了10m，甚至30m级望远镜已经处于建设中。
William：
这种情况下，中国有可能从其他方面做一些突破吗？
毛淑德：
发射很多小口径望远镜并放置在不同的地方，可以做成干涉望远镜阵列，这是一件有趣的事，某种程度上可以说是从另一个方面弥补了望远镜口径不足的问题。当然，其中的技术要求很高，每个望远镜的所在位置都需要非常精确。
William：
从商业角度来讲，做小型望远镜的阵列要比做大型的单一望远镜，在可行性上高很多。
比如我们将成千上百个50cm口径的望远镜组成阵列，可以通过成熟的AI系统，对阵列以及各个望远镜的参数进行自主调控。在这种情况下，首先，单个小型望远镜，避开了我国大口径光学镜片制造方面的弱点，成本比较低；第二，工业化量产，对于后期设备维修、更新和运营更方便，在轨时间也可大大延长；第三，在多地放置小型望远镜，可以同时观测不同的区域，形成规模之后，可以与地面观测站、研究机构、学校等联合起来共享数据，形成地面观测研究网络。
如果商业能够结合进来，就像埃隆·马斯克SpaceX的这种方式，相信对科学研究、宇宙探索甚至整个人类都有极大的帮助。
毛淑德：
国家天文台等机构的很多科学家也在考虑这样的干涉网络。100个望远镜的好处在于，能够降低天体观测的时间频率。比如原本每15分钟才能拍一张照片，现在每分钟、每秒钟甚至更短时间就能拍一张。很多天体现象发生得非常快，中子星边上的一些现象可能在毫秒以内，伽玛射线暴的持续时间也可能是秒级。
按照我们目前的时标参数，我们对天体的了解还不够。如果能降低这频率，就能发现很多短时标的有趣天文现象及天体。而且这是一个新的上升空间，可以发现一些未知，这对天文学家来说，在某种意义上也是最有趣的发现。
天文学是由观测仪器驱动的科学，所以观测仪器对天文学研究尤其重要。我们关注的宇宙有太多令人惊喜的地方，即使我们能提出很多理论，但是宇宙的精彩远远超过我们人脑的想象，我们希望通过用望远镜去发现更多我们无法想象的东西。
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