尋找M家族

北辰

至少到目前為止，科學家還沒有發(fā)現(xiàn)第二個“地球”，畢竟要在茫茫宇宙中找到與地球完全相同的星體實在有點難。于是，科學家們“退而求其次”，他們的搜索目標變成了——

1995年，瑞士天文學家米歇爾·麥耶發(fā)現(xiàn)了第一顆系外行星——飛馬座51b。在此之前，尋找系外行星僅作為一個話題存在于大家的討論中。不過，很多人仍然認為，這次的發(fā)現(xiàn)只是個偶然，但僅僅幾個月后，美國的研究團體也宣布，他們找到了另外兩顆系外行星。至此，系外行星開始接二連三地出現(xiàn)在天文學家的視野里。

M地球與M矮星

截至2013年7月12日，人類已經(jīng)確認發(fā)現(xiàn)了910顆系外行星?？上У氖牵谶@些行星中，沒有一顆與地球類似。它們絕大多數(shù)是氣體球，體積過大，和木星差不多，并不適合人類生存。

眾所周知，我們需要尋找的是一些與地球相仿的行星，它們應(yīng)該擁有巖石表面，還要有液態(tài)水的存在。于是，“M地球計劃”應(yīng)運而生。該計劃由哈佛-史密森尼研究中心提出，旨在尋找M地球和M矮星，負責人是戴維·夏邦諾。所謂M地球，就是與地球類似的一些系外行星。而M矮星則是一種“不正常”的恒星，由于在形成之初，它們沒有得到足夠的物質(zhì)成為正常的恒星，結(jié)果淪為恒星家族的二等公民。M矮星屬于紅色主序星，質(zhì)量一般不大于太陽的60%，而且體積偏小，發(fā)光能力也很弱，溫度不高于4000℃。這樣的矮星數(shù)量極多，我們在距離太陽30光年的范圍內(nèi)，就發(fā)現(xiàn)了250顆。

在“M地球計劃”中，科研人員主要使用40厘米口徑的小型地面望遠鏡進行觀測。雖然這種望遠鏡并不非常高級，但眾多小望遠鏡排列在一起就可以組成陣列，同樣能獲得不錯的觀測效果。

未來家園

想要找到M地球，首先要找到M矮星。因為M地球距離M矮星不會太遠，它常常會在M矮星周圍徘徊。盡管M矮星的發(fā)光能力有限，但它已足夠滿足孕育生命的需要。

由于距離矮星過近，M地球一般處于引力鎖定狀態(tài)，也就是說，它不會產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。在這種星球上，一半永遠是白晝，一半永遠是黑夜。而且，那里各地區(qū)的溫度會有很大的差異，或許其中只有一小塊地區(qū)的溫度適合人類生存。

雖然這樣的行星與地球大不相同，但要找到一顆與地球一模一樣的行星實在是太難了。目前，“M地球計劃”的首要任務(wù)就是尋找適合人類生存的地外家園，而M矮星與M地球?qū)⑹俏覀兾磥砑覉@的重要選擇。

兩種方法

既然我們確定了搜尋范圍，那么接下來的任務(wù)就是尋找這對好搭檔了。為此，科學家制定了兩種搜尋方法。

當月球運行至太陽與地球之間時，從地球上的部分地區(qū)來看，太陽的部分或全部光線會被遮擋，這種現(xiàn)象就叫做日食。其實，一顆天體遮擋住另一顆天體的現(xiàn)象在宇宙中時有發(fā)生，它有個更科學的名字——凌星。觀測凌星現(xiàn)象，是我們尋找M地球的第一種方法。

然而，小型望遠鏡陣列根本無法觀測到這種現(xiàn)象，即使是開普勒望遠鏡也無能為力。不過，我們可以通過觀察M矮星的亮度變化，以此判斷M地球是否存在。試想，當M地球從M矮星面前經(jīng)過時，M矮星的光芒將會變暗，隨即又會變亮，而且這種光芒變化的過程又具有明顯的周期性。因此，只要我們能觀測到M矮星的亮度變化，就能推測出M地球存在與否。而且，我們還可以根據(jù)亮度的變化幅度，推算出M地球的體積，并由此得知它的質(zhì)量。

此外，我們還可以通過觀測恒星的移動軌跡來確定M家族是否存在。行星在圍繞恒星運行時，會對恒星產(chǎn)生引力，使恒星左右搖擺。M矮星與M地球的質(zhì)量相差無幾，這就使得M地球在環(huán)繞M矮星運轉(zhuǎn)時，M矮星會發(fā)生更劇烈的搖擺。這一明顯的方位變化，將讓人類更容易尋找到它們，并通過引力關(guān)系判定它倆的質(zhì)量差，從而確定M地球的質(zhì)量。戴維·夏邦諾認為，相對于更大的恒星來說，在這些相對較小的、比較暗淡的恒星周圍尋找行星會更加容易。

觀測光譜

由此可見，尋找M地球并不難，其實，真正的難題是如何確定它是否適合生命存活。不過，我們可以依靠光譜研究技術(shù)，通過分析星球大氣層氣體成分的方法來確定。

目前，科學家已經(jīng)找到了一些M地球，也知道了它們大氣層的一些基本情況。其中，GJ1214b是比較特殊的一個，它就是“M地球計劃”小組于2009年發(fā)現(xiàn)的。

GJ1214b的質(zhì)量是地球的6.5倍，體積是地球的2.7倍，顯然，它的密度介于氣體行星和巖石行星之間?？茖W家以此判斷，GJ1214b的組成成分有兩種可能：要么它有個較小的巖石核心，外加一個巨大的含氫氣的大氣層，而且氫含量很高；要么它有一個較大的核心，核心外側(cè)包裹著深水海洋，大氣層則富含水汽。根據(jù)這兩種可能性，天文學家展開了廣泛的討論，如果能夠排除第一種猜測，那么，GJ1214b將是一顆充滿水分的星球。

為此，2012年，美國哈勃太空望遠鏡深入觀測了GJ1214b的凌星現(xiàn)象，結(jié)果卻一無所獲。2013年，當GJ1214b再次發(fā)生凌星，日本科學家對其進行了觀測。最終發(fā)現(xiàn)，它的光譜在大范圍波長上毫無特色，這說明該行星的大氣層中含有水蒸氣，而且水蒸氣還是主要的組成成分。

盡管我們已經(jīng)初步證明GJ1214b是一個大水球，但我們也不能高興得太早，因為那里的溫度實在是太高了。這顆行星約由75%的水和25%的巖石構(gòu)成，繞恒星運行1周只需38小時，比地球的365天短得多。此外，它距離紅矮星只有200萬千米，這使它的溫度高達200℃。高溫使得液態(tài)水全部蒸發(fā)，僅以氣體形式存在。

除了觀測行星發(fā)生凌星時的光譜，我們還可以通過觀測行星白晝時的光譜，來深入了解行星大氣層的構(gòu)成成分。在M地球公轉(zhuǎn)的一個周期內(nèi)，我們將會有兩次觀測機會。第一次是M地球即將“躲”在M矮星的背面時，第二次則是M地球剛剛轉(zhuǎn)出M矮星的背面時。在這兩個時刻，我們能夠看到M地球反射M矮星光芒的一面，這正是研究它光譜的大好機會。

我們只要在不同波段中觀察行星反射恒星的光芒，并將這些光芒與恒星的光芒進行對比，就可以知道這顆行星的大氣層包含哪些化學元素。

終極目標

“M地球計劃”的初期目標是觀測2000顆M矮星，并確定它們周圍是否存在M地球。而它的終極目標，則是確定這些M地球是否適合生命存活。

顯然，完成終極目標的前提是驗證在這些M地球中，哪些有合適的大氣層，哪些含有水。此外，還要確定它們的溫度。一般而言，過高的溫度不適合生命存活，因為星球大氣層中的絕大多數(shù)碳會跟氧結(jié)合成為一氧化碳。真正值得研究的是那些溫度低于1000℃的行星，在這種溫度條件下，碳會跟氧結(jié)合形成甲烷，而甲烷則是生命存在的基本信號。

眾所周知，想要找到一顆與地球相仿的行星非常困難，畢竟，地球的形成充滿了太多的偶然。不過，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡即將升空，大麥哲倫望遠鏡也正在建造，它們會幫助我們找到更多符合要求的M家族。隨著光譜分析技術(shù)的不斷進步，真正適合人類生活的星球也許很快就要出現(xiàn)了。

相關(guān)鏈接

飛馬座51b：一顆位于飛馬座、距離地球約50光年的系外行星。它是第一顆被發(fā)現(xiàn)的圍繞類似太陽的恒星（飛馬座51）運轉(zhuǎn)的系外行星，同時也是熱木星的原型。

矮星：原指本身光度較弱的恒星，現(xiàn)專指恒星光譜分類中光度級為V的恒星，即等同于主序星。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡：紅外線觀測用太空望遠鏡，由美國宇航局和歐洲空間局共同打造。按照計劃，它將被放置于太陽-地球的第二拉格朗日點。

大麥哲倫望遠鏡：預計將于2020年完工啟用的地基極端巨大望遠鏡，屬于“極端巨大望遠鏡計劃”，其安置地點已經(jīng)確定為拉斯坎帕納斯天文臺。