系外行星

張雪松

北京時(shí)間2015年7月24日凌晨，美國國家航空航天局（NASA）公布了一則重磅消息：根據(jù)開普勒空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的最新數(shù)據(jù)，天文學(xué)家在太陽系外的恒星宜居帶上發(fā)現(xiàn)了迄今為止與地球最相似的一顆系外行星，并將其命名為開普勒-452b。這顆素有“地球2.0”之稱的系外行星的發(fā)現(xiàn)，是人類在尋找“另一個(gè)地球”道路上的重要里程碑。

開普勒-452b的發(fā)現(xiàn)之旅

提到系外行星開普勒-452b的這一振奮人心的發(fā)現(xiàn)，就不得不提大名鼎鼎的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡。2009年，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，此后對(duì)天鵝座和天琴座中大約10萬個(gè)恒星系統(tǒng)進(jìn)行了觀測(cè)，并在2013年8月放棄修復(fù)前，發(fā)現(xiàn)了分布在約440個(gè)行星系中的1000多顆系外行星，此數(shù)量超過了此前人類探測(cè)到的系外行星的總和。

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡可以說是為探索系外行星專門設(shè)計(jì)的，它主要通過行星凌日現(xiàn)象間接探測(cè)到系外行星的“蹤跡”，因此探測(cè)效率也大大提升。行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)經(jīng)過日地之間，位于地球上的觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn)有黑點(diǎn)掠過太陽的現(xiàn)象，這就是天文學(xué)上所說的“凌日”。此后天文學(xué)家逐步推廣了凌日的概念，使之也同樣適合于太陽以外的恒星，當(dāng)行星經(jīng)過恒星與地球之間的連線時(shí)，地球上的觀察者就會(huì)看到恒星被部分遮擋的現(xiàn)象。

系外行星距離地球十分遙遠(yuǎn)，近的半人馬座α星也在4.3光年外，開普勒-452b更是遠(yuǎn)達(dá)1400光年，天文學(xué)家甚至發(fā)現(xiàn)了距離地球21500光年外的系外行星。天文學(xué)家主要通過凌日觀測(cè)等間接方法探測(cè)系外行星，這就要求望遠(yuǎn)鏡靈敏度極高并盡可能地避開雜光的干擾，因此開普勒空間望遠(yuǎn)鏡特意發(fā)射到尾隨地球的太陽軌道上，避免了地球散射光線的影響，它選定的觀測(cè)方位是天鵝座和天琴座，不僅規(guī)避了太陽光的干擾，還盡可能降低了主帶小行星和柯伊伯帶小行星可能產(chǎn)生的遮掩。NASA還計(jì)劃設(shè)計(jì)獨(dú)特的“太空向日葵”大型空間望遠(yuǎn)鏡，通過向日葵形的星光抑制器遮擋系外行星環(huán)繞的恒星的光

芒，更清晰地拍攝系外行星并進(jìn)行研究。

事實(shí)上，NASA通過開普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的系外行星中，不乏體積大小和地球更為相似的對(duì)象，例如系外行星開普勒-442b的直徑約為地球的1.3倍，系外行星開普勒-438b更是只有地球的1.1倍，但它們無一例外都存在公轉(zhuǎn)周期太短的問題，開普勒-438b只有35天，開普勒-442b也只有112天，并不適合人類生存。此外，直徑為地球1.1倍的開普勒-186f處在適合液態(tài)水存在的“宜居帶”，但它位于宜居帶外側(cè)，可能存在溫度過低的問題，而且圍繞旋轉(zhuǎn)的恒星是一顆質(zhì)量僅為太陽一半的紅矮星，也并不適合生命的存在。

“地球2.0”？

行星開普勒-452b的發(fā)現(xiàn)令人振奮，主要是由于它在三個(gè)方面都接近地球環(huán)境：它的直徑約為地球的1.6倍，公轉(zhuǎn)周期約為385天，圍繞旋轉(zhuǎn)的恒星開普勒-452的質(zhì)量與太陽十分相近，開普勒-452b行星到恒星的距離還和日地距離大致相當(dāng)。NASA表示，開普勒-452b是人類確認(rèn)的第一顆“和地球尺寸相近”、圍繞“類似太陽”的恒星公轉(zhuǎn)而且“軌道位于宜居帶內(nèi)”的系外行星。

開普勒-452b在行星大小、軌道周期和軌道半徑上和地球極為相似，在媒體的報(bào)道中，它與地球的相似指數(shù)（ESI）甚至高達(dá)0.98，但將其視為“地球2.0”版本，恐怕還為時(shí)過早。ESI是天文學(xué)家研究系外行星的一個(gè)概念，它綜合考慮行星半徑、密度、溫度等一系列參數(shù)，是通過量化方式表示行星與地球的相似度。

由于人類在系外行星觀測(cè)能力上的局限，我們只能通過粗略估算系外行星的大小，距自身恒星的距離（地球的恒星即為太陽）等“簡陋”的數(shù)據(jù)來推斷系外行星的相關(guān)情況，但這與其真實(shí)的面貌可能會(huì)有不小的差距，并且不排除會(huì)出現(xiàn)差之毫厘，謬以千里的誤判?？赡苷腔谶@種不確定性，NASA的官方報(bào)道根本沒有提及ESI這個(gè)指標(biāo)。

相比媒體的樂觀和極度渲染，開普勒-452b的發(fā)現(xiàn)者，NASA的態(tài)度還是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，它只是精確指出了開普勒-452b在尺寸、軌道周期和軌道半徑這三個(gè)方面和地球極為相似。開普勒-452b發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人喬恩·詹金斯表示：開普勒-452b可以算是地球的“大表哥”，它能夠?yàn)槲覀儗?duì)地球環(huán)境研究的探究提供參考，為了解地球環(huán)境的演變提供機(jī)會(huì)。開普勒-452所在行星系的壽命約60億年，這顆恒星輻射比太陽高20%，開普勒-452b行星接收的輻射比地球高10%。毋庸置疑，開普勒-452b行星能夠讓我們“預(yù)覽”到地球十幾億年后的境況，有助于我們預(yù)測(cè)遙遠(yuǎn)未來的地球環(huán)境。

尋找類地行星

開普勒-452b行星的發(fā)現(xiàn)一度掀起軒然大波，但在找尋系外行星的道路上，這一切卻絕非偶然。作為一種智慧生命，人類渴望探究宇宙奧秘，渴望找到另一個(gè)適合我們的生存空間。也正因?yàn)槿绱耍煳膶W(xué)家們無不嘔心瀝血，投入巨額預(yù)算探索系外行星。無論是大受歡迎的科幻影片《阿凡達(dá)》，還是屢獲殊榮的科幻名著《三體》，無一例外都描繪了系外行星上的宇宙生命，反映了人類對(duì)未知世界無限奧秘的探索精神

早在20世紀(jì)60年代，天文學(xué)家坎普就曾發(fā)表聲明稱距離地球約6光年的巴納德星就存在一個(gè)或多個(gè)行星。由于巴納德星距離太陽近并且可能存在行星，雙重利好因素使它一度成為科幻界甚至科學(xué)界探究的熱門。英國星際學(xué)會(huì)甚至為了一探究竟，提出了使用核聚變飛船探索巴納德星的代達(dá)羅斯計(jì)劃。盡管隨著人類觀測(cè)能力的提升，現(xiàn)在已經(jīng)否定了巴納德星存在行星的猜測(cè)，但在探究宇宙奧秘的過程中，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了更多的系外行星，不過遺憾的是，它們多數(shù)是非宜居行星。

1995年，科學(xué)家們首次在主序恒星周圍發(fā)現(xiàn)了一顆巨大的氣態(tài)行星，這樣的行星被稱為“熱木星”，它們體積大更容易被發(fā)現(xiàn)，但人類不可能居住在氣態(tài)行星上。我們還發(fā)現(xiàn)了大量多行星系統(tǒng)，其中包括一些固體行星。固體行星更適合人類居住，但它距離恒星太近會(huì)被引力潮汐鎖定，永遠(yuǎn)一面對(duì)著恒星，這種苛刻環(huán)境下人類是無法生存的，所以很多恒星周圍的系外行星并不適合人類居住。類似的，內(nèi)核冷卻沒有磁場(chǎng)的固體行星，大氣層會(huì)被來自恒星的星風(fēng)無情地吹散，這種地獄般的環(huán)境也不是適合我們居住的地方。液態(tài)水對(duì)我們?nèi)祟悂碚f是判斷生命存在和適宜居住的重要依據(jù)，一顆距離恒星遠(yuǎn)近適中的固體行星，表面溫度才可能正好支持液態(tài)水的存在，這也是現(xiàn)在判斷宜居帶的主要依據(jù)。

不過話說回來，太陽系宜居帶內(nèi)有酷熱的金星和寒冷的火星，這說明宜居帶行星的溫度也很可能千差萬別，或者說我們最多只能排除哪些行星不適合居住，而確認(rèn)宜居行星是極為困難的工作。2012年，人類在距離地球更近的半人馬座α星周圍發(fā)現(xiàn)了系外行星的蹤跡，而半人馬座α星恰是《阿凡達(dá)》和《三體》所描繪的恒星系。遺憾的是，半人馬座α星的系外行星公轉(zhuǎn)周期只有3.2天，絕對(duì)不適合任何生命形式的存在。

結(jié) 語

時(shí)至今日，人類在尋找類地行星的道路上已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，開普勒-452b的發(fā)現(xiàn)就是其中的杰出代表。現(xiàn)如今，人類已經(jīng)證實(shí)，系外行星在銀河系中普遍存在，位于恒星宜居帶內(nèi)的行星也為數(shù)甚多，擁有地球的太陽系絕非銀河系的孤本。

天文學(xué)家根據(jù)開普勒空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果分析，銀河系內(nèi)類似太陽或是更小的紅矮星周圍，僅僅在宜居帶范圍內(nèi)就可能存在高達(dá)400億顆與地球大小相近的行星，說不定這數(shù)百億，甚至上千億的行星中就隱藏著“另一個(gè)地球”，靜待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。