比鄰星b真可能存在生命嗎？

□ 王卓驍 鄭曉晨（清華大學(xué)） 毛淑德（清華大學(xué)；國家天文臺）

比鄰星b真可能存在生命嗎？

□ 王卓驍 鄭曉晨（清華大學(xué)） 毛淑德（清華大學(xué)；國家天文臺）

最近發(fā)現(xiàn)的系外行星比鄰星b真的類地宜居嗎？或許，答案并不樂觀。本文將從比鄰星一百年前的發(fā)現(xiàn)歷史講起，具體介紹比鄰星b行星激動人心的發(fā)現(xiàn)，其宜居的可能性，并分析這個系統(tǒng)可能的形成演化過程，以及未來如何從生命存否角度進(jìn)行下一步探索。

圖片來源：Ricardo Ramirez & James Jenkins，智利大學(xué)天文系

發(fā)現(xiàn)比鄰星

圖1 在夏威夷莫納克亞山頂10米凱克望遠(yuǎn)鏡旁邊的夜空，南門二位置較低，望遠(yuǎn)鏡無法指向觀測，需將其放大才能看到暗弱的比鄰星，比鄰星大約以50萬年為周期圍繞南門二雙星運(yùn)動，南門二雙星的周期為80年。右上角即為比鄰星系統(tǒng)示意圖，最新發(fā)現(xiàn)的行星以11.3天為周期旋轉(zhuǎn)，并處于宜居帶中。圖片來源：王卓驍，Skatebiker at English Wikipedia & The New York Times

在一個世紀(jì)前的1915年，時任南非約翰內(nèi)斯堡聯(lián)合天文臺臺長的蘇格蘭天文學(xué)家羅伯特?因尼斯（Robert Innes），在對半人馬座雙星南門二（Alpha Centauri）西南2度的天區(qū)進(jìn)行觀測時，偶然發(fā)現(xiàn)了一顆黯淡的橙紅色恒星，這顆恒星居然和南門二以同樣快的角速度運(yùn)動，他建議將該恒星命名為Proxima Centauri（意為離半人馬座最近的恒星，圖1）。兩年后，荷蘭天文學(xué)家Joan Vo?te在南非好望角的皇家天文臺進(jìn)一步觀測了這顆黯淡的恒星，并且通過三角視差法（Parallax）計(jì)算出了該恒星與地球的距離，發(fā)現(xiàn)這顆恒星比南門二雙星距離我們更近，大約僅為4.2光年。自此以后，Proxima也就成為璀璨星空下，距離我們太陽系最近的一顆恒星（圖2）。這則消息傳到中國后，這個詩意國度里的天文學(xué)家很有可能是想到了王勃的那首千古絕句——“海內(nèi)存知己，天涯若比鄰”，于是將這顆恒星賦予了“比鄰星”的名字，但是具體因由恐難考證。

一百年來，這顆黯淡的恒星，從未淡出過天文學(xué)家的視野，尤其是隨著各種觀測技術(shù)的提升，其相應(yīng)物理參數(shù)（距離、質(zhì)量、半徑等）的測量精度也在不斷刷新。到了2002年，智利歐洲南方天文臺的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）已可利用光學(xué)干涉測量的方法較為精準(zhǔn)地將比鄰星的視半徑限制到1.02±0.08毫角秒（作為對比，太陽視半徑約為1800角秒=0.5度）。由于距離已知，推算得到的比鄰星半徑大概只有太陽半徑的14%，而基于恒星的質(zhì)量半徑關(guān)系，估算出的質(zhì)量也大概只有太陽質(zhì)量的八分之一，是一顆十足的紅矮星（red dwarf）。雖然這顆紅矮星又小又黯淡，卻絕不無趣。通過研究其不同波段的光度和光譜變化（例如1951年美國天文學(xué)家哈羅?沙普利首次記錄到了比鄰星8%的光度增強(qiáng)，這與太陽耀斑活動類似；XMM牛頓望遠(yuǎn)鏡和錢德拉X射線天文臺也都分別觀察到了比鄰星在X射線波段的劇烈輻射），不難發(fā)現(xiàn)，這顆紅矮星會時常發(fā)出明亮的信號怒刷存在感。

至于比鄰星究竟是否與南門二雙星構(gòu)成引力束縛的三體系統(tǒng)一直存有爭議。2006年，通過擬合南門二和比鄰星的視向速度及自行的歷史數(shù)據(jù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)比鄰星距離南門二約為0.21光年（約15000個天文單位；1個天文單位定義為地球太陽的平均距離，約1.5億千米，8.3光分），繞行周期為50萬年（如圖1所示）。但是在如此長的周期中，很難判斷其間有無其他恒星近距離造訪過，因?yàn)槟呐挛⑷醯囊_動也有可能改變它們的軌道聯(lián)系。在數(shù)十億年前，比鄰星和南門二雙星可能形成于同一個疏散星團(tuán)中，矮小的比鄰星很可能在隨后的動力學(xué)演化中，被總質(zhì)量超過自己16倍的南門二雙星捕獲，成為現(xiàn)今的三體系統(tǒng)。其中南門二雙星由兩顆質(zhì)量分別為1.1和0.9倍太陽質(zhì)量的恒星組成，它們的相互繞轉(zhuǎn)周期為80年，相比遠(yuǎn)處的比鄰星，雙星之間的最近距離僅為11個天文單位，而最遠(yuǎn)距離也不過36個天文單位。所以將比鄰星納入南門二統(tǒng)稱它們?yōu)槿w系統(tǒng)，似乎有些勉強(qiáng)。

對于喜歡夜觀天象的北天天文愛好者來說，在星空中直接看到比鄰星還是很有難度的。一方面，它比肉眼可見的最暗星還要暗個（約）100倍。另一方面，它位于半人馬座，大約赤緯-60度的南天區(qū)，最佳的觀測位置在南半球，即使是圖1中位于北緯20度左右的夏威夷莫納克亞，也僅能在靠近地平線的位置觀測到。

如何發(fā)現(xiàn)系外行星

仰望星空的人類從未停止過對地外生命的幻想，距離太陽系最近的恒星周圍是否存在一顆和地球一樣，可以孕育或者正在孕育著生命的星球呢？

1995年天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了類日恒星周圍的第一顆系外行星——飛馬座51b，其質(zhì)量約為木星的一半，但公轉(zhuǎn)周期卻僅有4.2天，這樣一個時刻被主星炙烤的氣態(tài)巨行星顯然并不符合我們對類地行星的預(yù)期，但卻毫無疑問地拉開了系外行星探測的序幕。目前，已發(fā)現(xiàn)的系外行星超過三千五百顆，據(jù)此開展的統(tǒng)計(jì)研究，將對行星系統(tǒng)的形成及演化理論起到極大的推動作用。

令人驕傲的是，在一代代天文人的努力下，我們的觀測極限飛速提升，地外生命的探尋之路似乎也不再那么遙不可及。就在不久前，距離我們最近的系外行星系統(tǒng)還是那個10光年外的天苑四（Epsilon Eridani），而這個記錄終于在不久前被刷新。2016年8月24日，智利歐洲南方天文臺在《自然》雜志上公布了一項(xiàng)振奮人心的觀測結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)比鄰星周圍存在一顆質(zhì)量至少為1.3倍地球質(zhì)量的行星，其軌道半長軸約為0.05個天文單位，公轉(zhuǎn)周期為11天，這顆系外行星最終被正式命名為比鄰星b。這難道又是一個被主星炙烤著的行星？其實(shí)不然。因?yàn)楸揉徯鞘且活w紅矮星，其總光度只有太陽的千分之二，所以這顆行星雖然距離母星如此之近，卻幸運(yùn)地剛好處于宜居帶中！對于天文學(xué)家來說，這無異于中了大獎，還是特等的。從1995年至今，人類苦等了二十多年，難道終于要在距離我們太陽系最近的恒星——比鄰星——周圍，發(fā)現(xiàn)第二個地球了嗎？

要回答這個問題，我們首先得從系外行星的探測方法說起。通常，如果直接利用望遠(yuǎn)鏡觀測行星，行星多數(shù)會湮沒在恒星明亮的光芒中難以分辨，但這并不能阻礙天文學(xué)家對系外行星探測的執(zhí)著。20多年來，天文學(xué)家發(fā)展了許多種探測行星的方法，其中應(yīng)用最為廣泛的是掩星法（Transit）和視向速度法（Radial Velocity）。而碩果頗豐、命中率極高的視向速度法就是巧妙地通過行星對恒星的物理擾動來間接探測行星。當(dāng)行星圍繞恒星轉(zhuǎn)動時，由于行星的引力作用，恒星也會進(jìn)行微小的圓周運(yùn)動，只要二者的運(yùn)動平面不是完全垂直于我們的視線方向，原則上就可以探測到恒星沿視線方向所產(chǎn)生的微小振動，也稱為多普勒效應(yīng)，體現(xiàn)在恒星光譜的周期性紅移和藍(lán)移上。天文學(xué)家利用光譜儀精確測量紅移和藍(lán)移隨時間的變化，從而得到恒星沿視線方向運(yùn)動的速度-時間曲線，并通過擬合得到行星的相關(guān)物理參數(shù)，這就是視向速度法。

利用視向速度法探測行星，實(shí)際最關(guān)鍵的步驟在于如何精確測量每條光譜的紅移和藍(lán)移。比鄰星b的發(fā)現(xiàn)就是得益于世界最先進(jìn)的光譜儀——智利拉西拉天文臺3.6米望遠(yuǎn)鏡的HARPS（High Accuracy Radial velocity Planet Searcher）和帕瑞納天文臺的8米甚大望遠(yuǎn)鏡的UVES儀器（Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph）。在這項(xiàng)工作中，恒星視向速度的測量精度達(dá)到了1米/秒，也就是說，在距離我們4.2光年外的，一顆大小僅為太陽七分之一的火球，其視向速度的變化哪怕只相當(dāng)于人類的步行速度，就足已被探測到。這是非常不可思議的技術(shù)飛躍，要知道1995年發(fā)現(xiàn)系外行星飛馬座51b時的測量精度只有13米/秒（百米飛人博爾特的速度）!

利用視向速度法探測行星，雖然確定度大，但由于我們探測到的速度往往只是恒星實(shí)際速度在視線方向的一個分量，因此，基于恒星視向速度推導(dǎo)得到的行星質(zhì)量可能并不代表其真實(shí)值m，而是m sini （即最小質(zhì)量），其中i為行星軌道平面的法向和視線方向的夾角。目前測到的比鄰星b的最小質(zhì)量約為1.3倍地球質(zhì)量。由于軌道傾角是隨機(jī)分布的：如果i接近90度，行星的真實(shí)質(zhì)量m和最小質(zhì)量基本一致；如果i接近0度（此時我們幾乎俯視整個行星系統(tǒng)），行星的真實(shí)質(zhì)量將非常大。統(tǒng)計(jì)上講，i的中值約為60度，因此比鄰星b的真實(shí)質(zhì)量可能是1.7倍地球質(zhì)量。哈佛大學(xué)最近的一項(xiàng)研究指出：質(zhì)量小于8倍地球質(zhì)量的行星多為類地行星，如果他們所言不虛的話，比鄰星b無疑是類地行星的熱門候選體。

圖2 比鄰星的視向速度曲線。將不同時間觀測的數(shù)據(jù)折疊在同一個變化周期中，三角代表甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT UVES）的數(shù)據(jù)，方形和圓形分別代表HARPS在2016年前和2016年黯淡紅點(diǎn)項(xiàng)目（pale red dot）的數(shù)據(jù)。

圖3 自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)1:1共振和3:2共振兩種模式下，考慮不同大氣成分的溫度模擬圖。其中黑線代表0°C (273.15 K)。

比鄰星b的宜居性存疑

比鄰星b處于宜居帶中，那么它就一定可居么？這個問題其實(shí)很難回答。目前關(guān)于宜居帶的一般定義是恒星周圍能保持液態(tài)水的環(huán)狀區(qū)域。在宜居帶內(nèi)部，溫度太高，水蒸發(fā)成了氣體，而在宜居帶外部，溫度太低，水凝結(jié)成了冰。根據(jù)計(jì)算，比鄰星的宜居半徑約為0.0423～0.0816 個天文單位，即使考慮誤差，比鄰星b的軌道半長軸也將落在比鄰星的宜居帶內(nèi)，因此它成為“類地宜居行星”的呼聲很高。

另外值得一提的是，若將該行星當(dāng)作黑體估算出的地表平衡溫度約為234 K，也就是-40°C，這一低溫讓大家對液態(tài)水的存在產(chǎn)生懷疑。實(shí)際上，這一溫度估算完全忽略了大氣的溫室效應(yīng)。如果地球也按照這種方法進(jìn)行估算的話，其地表溫度大概只有6°C（279K），比實(shí)際的平均溫度 15°C（288 K）要低差不多10°C，換而言之，行星大氣能夠極大限度地起到升溫作用。所以，如果比鄰星b同樣也擁有大氣，甚至是像金星一樣厚重的大氣層，地表升溫50度后自然可以保有液態(tài)水，宜居帶的現(xiàn)有計(jì)算模型正是考慮了這種大氣的升溫作用（圖3）。

然而，判斷一顆類地行星是否可居，溫度難道是唯一需要考慮的因素么？答案是否定的?？紤]到比鄰星b距離母星較近，受母星潮汐力影響極大，其自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期很可能處于1∶1或3∶2的共振中。這種潮汐鎖定在我們太陽系也很常見，例如月球自轉(zhuǎn)與繞地球公轉(zhuǎn)的周期比為1∶1，而水星自轉(zhuǎn)周期與繞太陽公轉(zhuǎn)的周期比為3∶2。如果比鄰星b處于1∶1的共振狀態(tài)中，則意味著它的表面將存在巨大的溫差，面向主星的一面永遠(yuǎn)光明炙熱，背對主星的另一面則永遠(yuǎn)陰暗冰冷，就如同另一個有名的行星系統(tǒng)巨蟹座55一樣，同樣擁有一顆處在1∶1潮汐鎖定的行星（8倍地球質(zhì)量，0.73天的公轉(zhuǎn)周期），利用斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡探測到的其地表溫差高達(dá)1400°C。相比之下，若比鄰星b有幸處于3∶2的共振狀態(tài)下，則其表面基本受熱均勻（圖3右），起碼符合可居地的先決條件。

那么，對于處于宜居帶中的比鄰星b，是否只要掙脫1∶1的潮汐鎖定，就一定可居？很不幸，答案依然是否定的。因?yàn)橹餍堑沫h(huán)境也是決定類地行星可居性的重要一環(huán)。比鄰星是一顆紅矮星，其內(nèi)部由對流主導(dǎo)，產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，相應(yīng)在表面隨機(jī)產(chǎn)生猛烈的耀斑，拋射大量的帶電粒子，并產(chǎn)生強(qiáng)紫外輻射和X射線輻射。對于地球來說，太陽耀斑爆發(fā)時雖然會破壞電離層，但由于地球磁場的保護(hù)，使得地球生命并未直接暴露在這些輻射中。而對于比鄰星系統(tǒng)，行星則會經(jīng)歷比太陽更加頻繁、更為劇烈的紫外以及X射線輻射。另外，比鄰星b還需要更強(qiáng)的磁場來抵御帶電粒子的沖擊，避免大氣層的剝離。然而不幸的是，如果該行星自轉(zhuǎn)速度較慢，或者被主星潮汐鎖定，其液態(tài)金屬內(nèi)核將因?yàn)槿鄙賹α?，難以產(chǎn)生較大的磁場。從這個角度考慮，比鄰星b宜居的可能性并不高。

比鄰星b行星形成之謎

在地球上，我們習(xí)慣了365天四季輪轉(zhuǎn)，很難想象為何會存在一個只有11天公轉(zhuǎn)周期的行星？在我們的太陽系，即使距離太陽最近的水星，其軌道半長軸也有0.39個天文單位，比鄰星b卻只有0.05個天文單位。然而比鄰星b的存在卻并非個例，從目前的觀測數(shù)據(jù)來看，公轉(zhuǎn)周期小于10天的系外行星相當(dāng)普遍，但它們的形成機(jī)制卻是天文學(xué)中一個懸而未決的問題。

理論學(xué)家多偏向于利用行星遷移理論來解釋此類行星的形成，即認(rèn)為它們并非原地形成，而是通過后期軌道演化遷移到觀測地的。因?yàn)樵诳拷阈堑膮^(qū)域，由于原材料不足，很難形成像地球這樣大的類地行星；相反，遠(yuǎn)離主星的外圍區(qū)域卻有足夠多的塵埃和氣體可供行星形成，這些已成形的行星隨后向內(nèi)遷移、演化成觀測到的短周期行星。關(guān)于行星的遷移，主要可以歸類為兩種途徑：

1. 動力學(xué)遷移結(jié)合潮汐力。

一顆行星受到外圍大質(zhì)量行星或者恒星的干擾，進(jìn)入近日點(diǎn)，而在近日點(diǎn)附近，行星將受到來自主星潮汐力的強(qiáng)烈擾動，使其軌道逐漸圓化并最終穩(wěn)定繞行于近主星區(qū)域。

2. 與氣體盤相互作用導(dǎo)致的遷移。

在行星形成初期，整個行星系統(tǒng)都還處在一個氣體盤中。已形成的行星，其引力會激發(fā)出氣體盤的密度波，而這些面密度分布不均勻的密度波反過來又會對行星產(chǎn)生切向的力矩，導(dǎo)致行星軌道角動量的轉(zhuǎn)移，從而使其軌道向內(nèi)或向外遷移。值得一提的是，由氣體盤導(dǎo)致的遷移理論，又可根據(jù)行星的質(zhì)量細(xì)分為第一類遷移、第二類遷移，其中第一類遷移由于速度過快，在解釋類地行星形成及演化方面仍存在一定分歧。

由于比鄰星系統(tǒng)和南門二雙星都形成于50億年前，即使我們現(xiàn)在對其鄰近恒星的運(yùn)行軌跡進(jìn)行細(xì)致的觀測分析，也很難反演到那樣久遠(yuǎn)的過去，也就是說目前我們很難推測在漫長的演化過程中，比鄰星b的軌道是否曾受到過其他恒星的擾動。假設(shè)，比鄰星系統(tǒng)曾經(jīng)所處的環(huán)境和現(xiàn)在類似，即其距離最近的恒星南門二也有15000個天文單位，那么短周期比鄰星b的形成主因最可能還是受到原初氣體盤的影響?，F(xiàn)有的觀測可能是比鄰星b形成之后向內(nèi)遷移的結(jié)果，也可能是其前身星星胞甚至星子遷移之后再通過后續(xù)的碰撞成長為比鄰星b。

如何探索比鄰星b行星大氣成分和生命跡象？

至于比鄰星b究竟如何形成，它是否存有大氣，大氣成分如何……回答這些問題，或可期待由霍金宣布的攝星計(jì)劃（Star Shot）來揭曉答案，該計(jì)劃由突破基金會支持，計(jì)劃在20年后利用探測器成功造訪比鄰星和南門二，并利用其反饋信息進(jìn)行深入研究。

圖4 圖中是將在智利建造的歐洲極大望遠(yuǎn)鏡（左）和擬建在夏威夷的三十米望遠(yuǎn)鏡（右）。因?yàn)楸揉徯窃谀暇暭s60度，建在南天的前者更適合觀測行星比鄰星b。圖片來源：ESO和TMT

圖5 氧分子的理論光譜（紫線）和在三十米級光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡上加了噪音的模擬光譜：氧分子的吸收特征仍清晰可見。

另一個更接地氣的思路，來自于近年利用地面十米級望遠(yuǎn)鏡發(fā)展出的直接成像法，用以探測亮星周圍行星的亮度和光譜。目前，利用星冕儀和自適應(yīng)光學(xué)，天文學(xué)家已直接探測到了數(shù)十顆系外行星。對于比鄰星b系統(tǒng)，行星和恒星的角距離為38毫角秒，對比度大約1000萬倍，下一代三十米級光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡（尤其是39米的歐洲極大望遠(yuǎn)鏡，圖4左）完全可以對比鄰星b直接拍照，并得到其光譜信息。如圖5所示，詳細(xì)的數(shù)值模擬表明，三十米級望遠(yuǎn)鏡利用高分辨光譜儀和極端自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)該能探測到比鄰星b行星表面是否存在氧分子。而一般認(rèn)為氧分子的存在可能和生命有關(guān)：因?yàn)槿绻麤]有生命（比如通過光合作用）持續(xù)產(chǎn)生氧分子，它們會在短時標(biāo)內(nèi)通過氧化作用消耗殆盡。因此我們可以通過對光譜的詳細(xì)分析來捕捉比鄰星b生命存在與否的特征跡象。

其實(shí)在附近恒星中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量和地球相近的行星并不特別讓人吃驚，因?yàn)樘煳膶W(xué)家發(fā)現(xiàn)類地行星在銀河系中相當(dāng)普遍。綜上所述，比鄰星b甚至不是適合（我們所知的）生命存在的最佳環(huán)境，但它的發(fā)現(xiàn)無疑是人類在探索宇宙生命的征程中邁出的非常激動人心的一步！或許下世紀(jì)我們真的能和星球鄰居互相串門、聊天？我們渴望浩瀚的宇宙給我們帶來更多的驚喜！

本文轉(zhuǎn)載自《賽先生》（微信號：iscientists）