Garik Israelian: 恒星里面有什么?

我有一个非常困难的任务. 我是一个光谱学家. 我需要向你们解释什么是天文学 但不能用任何星云或星系之类的图片。 因为我是从事光谱学的。 我从不与图片打交道。 但我会说服你 光谱学这个学科其实可以 改变这个世界. 光谱学很可能解答如下问题， "在地球之外有任何生命存在吗?" 人类是孤独的吗? SETI(搜寻地外文明) 从事光谱学并不是很好玩.

我有一个在保加利亚的同事, Neviana Markova, 花了近20年的时间 来研究这些资料。 并且她发表了42篇文章 仅仅致力于这个题目。 你能想像吗?没日没夜地思考、 花20年时间去观察去研究同一颗恒星 太不可思议了。 但我们疯了。我们做这些事。 (笑声)

我没有那么疯狂. 我花了大概八个月的时间去研究这些资料. 我注意到 一些小的对称性 存在于一个行星的主恒星的资料里。 我认为,可能这颗恒星存在着锂6(Lithium-6)这种物质, 这表明了这颗恒星 曾经吞没过一颗行星. 因为很明显,这种不稳定的锂6同位素不可能 存在于那种类太阳的恒星的大气层中. 但这种同位素存在于行星或者小行星中. 所以,如果吞没了行星或者大数量的小行星. 就会有锂6同位素 出现在这颗星的光谱里。 所以我投入了八个多月的时间 全部用于研究这颗星关于锂的数据.

事实上这件事是相当神奇. 因为我接到一些记者的电话采访, "你有没有亲眼看到这颗行星撞击到一颗恒星里?" 因为他们认为如果你有一个天文望远镜, 你是一个天文学家,那么你要做的 就是用天文望远镜去实际观察. 所以你可能看到过行星撞击进入颗恒星. 可我只能说, "不,抱歉, 其实我所看到的是这个" (笑声) 这确实令人难以置信. 因为没人真正理解. 我打赌只有非常少的一部分人 真正理解我现在讲的东西. 因为这是一颗行星撞击进入恒星的迹象. 太神奇了.

光谱学的力量 其实曾经在1973年 被Pink Floyd (歌手)提及过. (笑声) 因为他们曾经说过 任何一种你喜欢的颜色 都可以从光谱中获得. 但你所需要的是时间和钱 来制作你的光谱图像. 这是高清解析度之王, 这个星球上最精确的光谱仪,叫HARPS. 实际上是用来探测 外太阳系行星 和恒星大气层中的声波.

我们如何得到光谱呢? 我相信你们大部分人都从高中物理中了解过, 基本上就是从一束白光折射分解成 不同的颜色. 如果你有一个热液体物质， 将会产生我们所谓的连续谱。 热气体会仅产生出发射谱线, 并不连续。 如果你将一些冷气体 放在一个热源前面, 你将会看到特定的图案 我们称之为吸收谱线. 实际上它用于鉴定化学元素 在冷却的物质中, 因为这种化学元素完全吸收掉这些频段.

现在,我们可以研究光谱, 我们实际上研究的是宇宙天体的 视向速度。 并且我们还可以研究化学成分 和物理参数. 这些来自恒星以及 星系和星云. 恒星是一个最简单的对象. 在内核我们有持续的热核反应 创造着化学元素. 并且我们有低温的气体. 对我来说是低温, 低温在我的术语里意味着三千,或者四五千度。 我有些红外线天文学的同事们 把所有零下200K 的温度叫低温. 但你知道,任何事物都是相对的. 所以对我来说5000度是相当的低温呐. (笑声)

这是太阳的光谱. 两万四千条光谱线, 大约有15%的线条还没有被识别出来. 这是惊人的. 那么我们处在21世纪， 我们依然没有完全的理解 太阳的光谱. 有些时候我们不得不 跟一些细小的,微弱的光谱线条打交道. 来测量大气的化学元素构成. 举个例子,你看这些金元素的光谱线 是太阳光谱中仅有的光谱线 我们用这个微弱的特征 来测量 太阳大气中金元素的构成.

现在,这项工作取得了很大的进展. 我们已经论述了一个相似的,也是非常微弱的特征, 是锇元素. 这种重元素产生于 超新星的热核爆炸. 实际上这是唯一能产生锇元素的地方. 将锇元素的构成 与这颗行星所在的主恒星相比, 我们试图理解那里为什么存在如此多的 这种元素. 我们甚至想过, 也许超新星爆炸触发了行星和恒星的形成. 这可以算一个迹象.

有天伯克利(Berkeley)的一个同事, Gibor Basri,发给我一个电子邮件 一个非常有趣的光谱, 问我,"看看这是什么吗?" 接下来的两周,我就睡不着觉了. 我看到了大量的氧 和其它元素排列在这颗恒星的光谱中. 我知道从银河系中没有这样的光谱. 难以置信! 从这个清晰的证据只能得出 这个系统中曾经发生过一次超新星爆炸 污染了这颗恒星的 大气层 后来,一个黑洞 在这个两元体系中形成了. 现在仍然在那里,集中了大约 五个太阳质量. 这被认为是第一个证明黑洞的形成 是来自超新星热核爆炸.

我的同事们,将不同星系的化学元素的构成 进行了对比 便在银河系中发现了许多陌生恒星。 这太神奇了,你能了解这么多 仅仅靠分析这些星球的化学元素的构成. 他们实际上说过,你看到这些光谱中的恒星之一 来自于另外一个星系。 不同星际之间存在着相互作用. 我们了解这一点. 有时他们也会捕获其它恒星.

你曾经听说过太阳耀斑. 我们曾非常惊讶的发现 一个超级耀斑, 这个耀斑的能量比我们看到太阳的耀斑 要强烈上百万倍. 在银河系中 有一个叫FH Leo的双星体系, 我们发现过一次超级耀斑. 后来我们去研究它的光谱 去理解这些对象之间有没有任何诡异的联系. 然后我们发现,所有事情都很正常. 这些恒星像太阳一样普通. 年龄, 所有东西都是正常的. 所以这是一个谜. 我们仍然未解的一个谜, 超级耀斑. 并且还有六到七个相同的案例 在文献中记载着.

现在, 开始讲这个前 我们需要去理解宇宙化学的演变. 这超级复杂. 我当然不并是真的要你去理解 表上的这些东西. (笑声) 但这是为了告诉你,要多复杂的一个过程 才能产生出这些化学元素. 你有两种方法-- 大质量恒星和低质量恒星 -- 产生并回收宇宙中的物质和化学元素. 并且已经做了140亿年, 我们用这张图做结尾. 这是一个很重要的图片, 展示出丰富的化学元素 存在于类太阳的恒星中 和星际介质中.

这就意味着, 你不可能找到一个物体 里面的硫元素比硅元素的10倍还多, 钙比氧元素的5倍还多. 这就是不可能的. 如果你真找到了,我会说 这跟搜寻地外文明(SETI)有关. 但自然产生的,你找不到. 多普勒效应是非常重要的 来自于基础物理. 这是关于移动源的频率的变化. 这是关于移动源的频率的变化. 多普勒效曾用于发现太阳系外行星.

我们需要的精确数据 可以帮我们发现类木星的行星 围绕着类太阳的恒星 即是以每秒钟28.4米的速度公转. 并且我们需要每秒9厘米的速度 去探测一个类地球的行星. 未来的光谱学可以完成这种任务. 事实上, 我自己参加了这个团队 这个团队正在开发一种规则， 高解析度,下一代的光谱分析机 42米长的E-ELT望远镜. 这个仪器将用于 探测围绕类太阳恒星的 类地行星. 这个很棒的工具叫天文地震仪 可以用来探测 来自于恒星的大气层的声波.

这是半人马座阿尔法星的声音. 我们可以探测到 来自于类太阳恒星的大气层的声波. 这些有频率的声波 在一个固定的声域,这种声音实际上没人听的懂. 回归到我们最重要的问题, "在地球之外有任何生命存在吗?" 这其实与行星的构造运动 和火山运动密切相关. 生命 和放射性原子核之间的联系 很简单直观. 没有构造活动、火山活动 就没有生命. 并且我们知道地热能量 是铀,钍和钾元素进行衰减产生的.

怎么去测量,如果有某些行星 这些元素含量非常低, 这些行星基本上是构造性死亡, 不可能有生命存在. 如果那里有太多的铀,钍或者钾元素存在, 大概,同样,那里也不会有生命存在. 因为你可以想像所有东西都沸腾吗? 那是因为有太多能量在行星上. 现在我们可以通过 从其它恒星和太阳系外行星测量各种元素或钍元素. 这些规则是一样的. 很小的一个特点。

我们实际上正在衡量这些资料. 并且在探测钍. 这非常难. 实在太难了. 但这不得不做,首先你得说服你自己. 然后你必须去说服你的同事. 再然后你还得去说服整个世界 你探测到一些 类太阳主星的大气层中存在着某些东西 但这颗星离我们大概距离320光年(100秒差距). 这太难了. 但如果你想了解外太阳系有没有生命, 你就必须做这些工作. 因为你必须知道有多少放射性元素 存在于那些系统中.

发现外星生命的一个方法 就是调节你的射电望远镜并收听信号. 如果你接收到一些有趣的东西, 其实那是搜寻地外文明组织(SETI)去做的, 他们一直做了很多年了. 我认为最有希望的方法 就是用生物标志物. 你可以看一下地球的光谱,地球光线分析频谱. 你能看到一个非常明确的信号. 这个倾斜的地方我们称之为红边(Red Edge), 是植被区域的探测. 这太神奇了,我们能从光谱中 检测出植物. 现在来想像一下探测 其他行星.

最近,就在最近, 我是说过去的七八个月, 水,甲烷,二氧化碳 已经在外太星系行星 的光谱中被发现. 这太棒了,这就是光谱的力量. 你可以去探测 去研究行星的化学构成, 既使离太阳系很远很远的地方. 我们还要检测氧气或者臭氧的含量 来确定那里有所有必需条件 有生命存在.

宇宙的奇迹 与搜寻地外文明(SETI)紧密相关. 现在,想像有一个天体,神奇的天体, 或一些我们无法解释的天体 我们只是站起来说, "好吧,我们放弃,物理学根本无法解释." 所以这就是你可以永远想着SETI说, "好吧,肯定有某些人在用某种方法做这件事."

对于已知的物理学 其实已经被一个学者指出来了 是Frank Drake, 很多年以前.他就这么认为 如果你在一个主恒星系统中的行星的光谱中, 如果看到陌生的化学元素, 这可能是一个地外文明的发出的信号 并且他们想要这个信号在那里存在. 他们实际上想把他们的存在 的信号存储在光谱条纹里, 用不同的方式表现在恒星的光谱中.

他们可以用不同的方式去做这件事. 举个例子, 例如锝元素 是一个放射性元素 衰减周期大概是420万年. 如果你突然发现有锝元素存在于 一个类太阳恒星中, 你可以肯定是有人将这种元素放进了 这个大气层。 因为在自然界中不可能发生. 现在我们正在查看光谱资料, 是关于300颗外太星系带行星的恒星. 我们从2000年就开始这项工作 这是一项很复杂的工程. 一直以为我们全力以赴. 并且我们已经发现了一些有趣的例子, 案例以及我们无法完全解释的东西. 我希望在不久的将来 我们可以确定这些东西.

现在回到主要问题,"人类是孤独的吗?" 我认为答案不会来自不明飞行物(UFO). 也不是来自无线电信号. 我认为答案将会从这些光谱中得到. 这是一个类地行星的光谱 有大量的氮氧化物 是生命存在的明显的信号, 以及氧气和臭氧. 如果有这么一天,我想这一天将会是 从现在开始的15年之内,或者20年之内. 如果我们发现有这样的光谱存在, 可以肯定,那颗行星上存在生命. 未来大约5年的时间我们将发现一些 类地行星环绕着类太阳恒星, 它们的距离相当于地球与太阳的距离. 大概花费五年的时间. 然后我们需要另外的10到15年时间 通过空间工程 来获得类地行星的光谱,如我刚展示给你的那张一样. 如果我们看到有大量的氮氧化物 和氧气存在, 我认为我们就完美的找到了外星生命(E.T.) 非常感谢. (掌声)