天外行星 - 外星生命的傳說 Exoplanets - Legends of alien life 劉潤東 Y-T Lau, Ph.D 2019-09-04
科學與傳說 Science & Legend 至今仍未發現地球以外的生命, 也沒有證據表明外星生命曾經來過地球 No life beyond Earth has ever been found; there is no evidence that alien life has ever visited our planet [Marc Kaufman, NASA Science writer] 2
August 20, 2019 Rocky Planet Swelters Under Three Red Suns 岩石行星在三個紅太陽下悶熱運行 三顆紅矮星 3 red dwarfs 行星 Planet LTT 1445 A b 距離 :22 light years 公轉週期 :5 days https://exoplanets.nasa.gov/news/1598/discovery-alert-rocky-planet-swelters-under-three-red-suns/ ESO/M. Kornmesser 3
大綱 Outline 發射太空望遠鏡 Launch space telescope 尋找類地行星 Search for Earth-like Exoplanets 確認生命的必要條件 Identify conditions for life 構想外星生命 Conceive alien lives 嘗試建立聯繫 Try to establish contact 做個業餘科學家 Be an amateur scientist 4
發射太空望遠鏡 Launch space telescope 5
TESS Launch by Falcon 6
凌日系外行星巡天衛星 Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) 4 Telescopes Antenna Solar panels Credit: MIT / NASA Goddard Space Flight Center Launched 2018-04-18 7
TESS Viewing Zones 4 Telescopes Credit: MIT / NASA Goddard Space Flight Center 8
TESS 橢圓軌道 Elliptical Orbit TESS Earth Data Transmission Moon Credit: MIT / NASA Goddard Space Flight Center 9
TESS 觀察區間 Viewing Zones Credit: NASA Goddard Space Flight Center Credit: MIT / NASA Goddard Space Flight Center 10
銀河系 Our Milky Way 2x10 11 stars We are here! 11
從南半球看銀河系 Our Milky Way 西澳大利亚州尖峰石阵 Western Australia Spiky Rocks 12
漫天等離子體 Plasma Everywhere 太陽系以外的光亮星體, 都不是尋常物質, 而是等離子體 等離子體溫度極高, 電子跟原子核分離, 不可能孕育生命 但是, 假如有不燃燒的天體, 繞著像太陽的恆星轉, 條件適合者, 就可能有生命 13
太陽系以外的行星 ( 系外行星 ) Extra-solar planet - a planet that orbits a star other than our own Sun 怎樣探測天外行星? How to find Exoplanets? 天外行星 Exoplanet 14
尋找類地行星 Search for Earth-like Exoplanets 15
水星凌日 Mercury Transit 太陽動力學天文台 Solar Dynamics Observatory NASA 遠紫外線映像 Ultra Violet Imaging 16
水星凌日 Mercury Transit 天文奇觀 水星凌日, 一世紀發生大約 13 次 Around 13 times per century, Mercury passes between Earth and the sun - a rare astronomical event 17
凌日法 ( 凌星法 ) Transit Method 恆星亮度短暫下降 Transient dip in light curve proportional to the planet size https://planethunter.org/ 18
行星公轉 Orbiting Planet https://spaceplace.nasa.gov/ 從主恆星的 搖擺, 可以推斷行星的質量 One can infer the mass of the host star from its wobbling 19
大小 Size 行星物理參數 質量 Mass 密度 Density( 固體 氣體 ) 公轉週期 Revolution cycle 到恆星的距離 溫度 Temperature 20
超冷紅矮星 ( 寶瓶座 ) Seven Planets in Trappist-1 NASA/JPL-Caltech Seven planets orbiting around a star 100 trillion kilometers away from Earth (40 light years). All are fairly close to their host star and are likely to be tidally locked as their orbital periods range from 1.5 to 19 days 潮汐鎖定 21
Trappist-1: 光度曲線 Light Curve 22
开普勒 90 Eight Planets in Kepler-90 开普勒 90 距地球 2500 光年 ( 天龍座 ), 行星系結構近似太陽系 23
銀河系天外行星 Exoplanets in Milky Way 目前探測到 4043 個天外行星 4043 exoplanets detected 估計銀河系有 50 億類地行星! 5x10 9 earth-size planets in Milky Way (2 x 10 11 stars) 24
天外行星風景 Exoplanet Landscape NASA/JPL-Caltech 25
天外行星風景 Exoplanet Landscape NASA/JPL-Caltech 26
確認生命的必要條件 Identify conditions for life 27
簡單生命 : 微生物 Microbial life 必要條件 Necessary Conditions 材料 : 氫 H, 碳 C, 氮 N 分子 molecules 溶劑 : 液態水 Liquid water 原子重新組合成不同分子 ( 化學反應 ); 液體甲烷 Liquid Methane 能源 : 恆星 ( 宜居距離 : 金星 火星 ), 行星內核 ( 潮汐力 ) 28
早期火星有液態水 Early Mars surface had liquid water 可能曾經有生命 Might have hosted life 火星的水 Water on Mars NASA/JPL-Caltech 29
土星衛星 Enceladus Size: 15% of Moon Icy shell (5 km) with deep ocean (65 km) Erupting water jets In Greek mythology, Enceladus was one of the Giants 30
土星衛星深海 Deep Ocean in Enceladus Surface -200 C Icy shell (5 km) Deep ocean (65 km) 31
木星衛星歐羅巴 Jupiter s moon: Europa 32
Europa Mission 2025 33
木星衛星歐羅巴 Jupiter s moon: Europa 34
木星衛星歐羅巴 Jupiter s moon: Europa 35
NASA (2025) 歐羅巴冰殼下海洋 Deep Ocean in Europa 探測深海生物 Deep ocean creatures NASA/JPL 36
構想外星生命 Conceive alien lives 37
愛好極端的生物 Extremophiles on Earth 溫度 -24C ~110C ( 礦井, 噴泉, 深海 ), 吃無機化學物 ( 硫磺 甲烷 氫 ) 38
地球生命的三域系統 地球生命的三域系統 細菌 ( 無細胞核 ) 古菌 ( 無細胞核 ) 真核生物 39
超級動物 A Super Animal 40
緩步動物 水熊 Tardigrade 遍布全球 ( 喜馬拉雅 深海 兩極 赤道 ) 40,000 cells 一生不變 全身表面呼吸 No lung 溫度 :-272C ~150C 抗輻射 DNA( 外太空 ) 木乃伊化 (30 年 ) 0.5 mm Super Animal 41
生態保護層 複雜生命 Complex Life 磁層 Magnetosphere 屏蔽恆星風暴和帶電粒子射擊 大氣 保溫 減低隕石轟擊 冰殼 + 海洋 生態系統 簡單生命 ( 食物鏈 ) 流水 + 岩石 : 宜居棲息地 催化劑 42
天體生物學 Astrobiology The study of the origins, evolution, distribution, and future of life in the Universe Cross-disciplinary: physics, chemistry, biology, robotics 地球中心進化論 Geocentric evolution 最後的共同祖先 Last universal common ancestor (LUCA) 43
生命分佈至起源 Life Distribution to Origin Astronomy Distribution, evolution, origin 地球中心 Geocentric 太陽系中心 Heliocentric Same origin? 星系 宇宙 Galaxy Universal 並行自發產生 + 演化 外星播種 ( 隕石 )+ 演化 Parallel/Alien seeding + evolution 44
嘗試建立聯繫 Try to establish contact 45
搜索外星智能 SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) 六十年沒有任何訊號 Nothing detected for 60 years 沒有高等智慧生物 不同頻率段 不同通訊技術 黑森林理論 避免接觸 敵對 Frank Drake equation (1961) 46
嘗試建立聯繫 ( 直接接觸 ) 找出類地行星 ( 凌星法 大小, 週期 ) 強力望遠鏡測量質量 探索大氣層 聚焦射電望遠鏡測量可能信號 發射信號 發射微型太空船 ( 實地勘探 採樣 ) 47
James Webb Space Telescope (2021) 鍍金鏡子 6.5m 太陽擋板 NASA/ESA 48
檔星板 + 太空望遠鏡 Starshade & Telescope Jay Wong 49
類地行星 : 比鄰星 b (Proxima Centauri b) 半人馬座 α 星 A+B 比鄰星 比鄰星 半人馬座三星系統 α 星 A + B 比鄰星 b 距離 :4 光年 公轉 :11 天 1.3 x 地球質量 溫度 -40 C 岩石 水 大氣? 400 x X- 光輻射 2000 x 恆星風 ESO/M. Kornmesser 50
比鄰星 b 看見的三個恆星 Three Stars seen from Proxima Centauri b ESO/M. Kornmesser 51
微型太空船 : 光帆 Lightsail Size: 2m Weight: a few grams Onboard Starchips 20 years to Proxima Centauri b at 20% speed of light Fleet of 1000 lightsails Mission cost: $5-10B in 2036 52
光帆飛往比鄰星 Lightsail to Proxima Centauri b 53
Are We Alone? 我們並不孤單, 微生物可以活在眾多的類地行星 ( 以及木星土星的衛星 ) 如果有複雜生命, 其形態一定超乎我們的想像力 No. There must be microbial out there. If there are complex lives, they would be far beyond from our imagination. 讓我們等待這個驚醒時刻! Let us wait for the Awakening Moment! 54
做個業餘科學家 Be an amateur scientist 55
行星獵人 Planet Hunter 56