太陽系外宜居行星在哪里？

謝懿

已知行星的數(shù)量正在隨著時(shí)間不斷增加，然而還要多久我們才能找到生活在它們之上的生命？

2015年，一個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用已有250年歷史的提丟斯—波得定則，預(yù)言了宜居行星的數(shù)目。結(jié)果顯示，有數(shù)十億顆恒星在其宜居帶內(nèi)擁有1顆至3顆行星。盡管這個(gè)定則可以通過簡單的計(jì)算預(yù)測恒星周圍的行星的軌道，但它并非特別準(zhǔn)確，即便在太陽系中也是如此。

然而，很多科學(xué)家相信，宇宙中存在大量與地球類似的行星，其中有許多就位于銀河系中。

超級(jí)地球的藝術(shù)概念圖。這類行星有別于太陽系中的任何行星，質(zhì)量可達(dá)地球的十倍左右。

天文學(xué)家稱這些行星為類地行星。在目前已知的1211個(gè)行星系統(tǒng)中，有482個(gè)擁有1顆以上的行星，已知的行星總數(shù)為1918顆。得益于不同的空間任務(wù)，這些數(shù)字正在隨著時(shí)間不斷增加。在迄今觀測到的行星中，有一些大小和地球相仿，有一些的軌道和地球相似，還有一些圍繞的是類太陽恒星。不過，還沒有一個(gè)能同時(shí)滿足所有這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。有著數(shù)以千計(jì)的行星卻沒有發(fā)現(xiàn)一個(gè)地球的孿生兄弟，著實(shí)令人驚訝。這是否意味著類地行星是極為罕見的？計(jì)劃于未來幾年升空的

歐洲局計(jì)劃于2017年發(fā)射的太陽系外行星探測衛(wèi)星的概念圖

探測任務(wù)能否幫助我們很快找到另一個(gè)地球？

早在好幾年前，天文學(xué)家就開始思考，距離我們最近的地球?qū)\生兄弟會(huì)有多遠(yuǎn)。

為了找到答案，他們梳理了開普勒空間望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)。自2009年開始，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡共監(jiān)測了145000顆恒星，直到2013年它的姿態(tài)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障為止。天文學(xué)家分析了其中42 000顆恒星的數(shù)據(jù)，來尋找因行星遮擋其宿主恒星而造成的恒星亮度變暗。這一現(xiàn)象被稱為凌星。

使用這種技術(shù)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了603顆行星，其中有10顆的大小和地球相仿。這些行星中沒有一個(gè)是地球的孿生兄弟，但對(duì)它們進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，大約1/5的類太陽恒星可能擁有類地行星。

這相當(dāng)于，當(dāng)你抬頭看夜空中的數(shù)千顆恒星時(shí)，距離我們最近的在其宜居帶內(nèi)存在地球大小的行星的類太陽恒星大概就在12光年之外，用肉眼就能看見。

為了量化一顆行星與地球的類似程度，天文學(xué)家制訂出了地球相似指數(shù)（ESI）。它著眼于行星的半徑、密度、逃逸速度和表面溫度，并把它與地球進(jìn)行比較。每顆行星都可以就此被打分，分?jǐn)?shù)在0～1之間，1表示這顆行星與地球完全一樣。

根據(jù)這個(gè)指數(shù)，與地球最相似的行星是KOI-1686.01?！癒OI”表示是開普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的潛在目標(biāo)，是在被證實(shí)之前的臨時(shí)編號(hào)。KOI-1686.01的半徑是地球的1.33倍。雖然圍繞的是一顆暗弱的紅矮星，但由于靠得近，因此它能接收到足夠的熱量，使得其表面可以有液態(tài)水存在。經(jīng)過綜合評(píng)價(jià)，其ESI為0.89。在太陽系，火星的ESI只有0.69。不幸的是，后續(xù)的觀測都未能再次發(fā)現(xiàn)這顆行星。

水世界

為了證實(shí)觀測到的確實(shí)是一顆行星，必須首先觀測到恒星的亮度下降，然后再通過地面望遠(yuǎn)鏡來觀測因該行星的引力導(dǎo)致的恒星運(yùn)動(dòng)。

但是，迄今還沒有發(fā)現(xiàn)第二個(gè)地球。不過，這并不意味著已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一些行星就不適宜生命了。它們更像是地球的表兄弟，而非孿生兄弟。其中有兩顆行星脫穎而出，超過了其他行星。第一顆是開普勒-186f。它幾乎和地球一樣大，但收到的光照只有地球的約1/3。第二顆是開普勒-62f。它的大小是地球的1.4倍，收到的光照是地球的40%左右。

宜居性的關(guān)鍵是這顆行星上要有足夠的熱量來維持液態(tài)水的存在，使得生物化學(xué)作用得以發(fā)生。假如接收到的光能遠(yuǎn)少于地球，似乎會(huì)使得行星的溫度過低，但大氣層會(huì)發(fā)揮重要的作用。

地球的溫室效應(yīng)已經(jīng)婦孺皆知，這就是大氣層聚集熱量的一種能力。由于和碳排放有關(guān)，所以我們只看到了它的消極面，事實(shí)上，正是溫室效應(yīng)的增溫作用才維系了地球的宜居性。

沒有溫室效應(yīng)，地球就會(huì)被“凍僵”。所以，這兩顆太陽系外行星也必須依靠溫室效應(yīng)，來彌補(bǔ)它們光照不足的問題。對(duì)開普勒-62f來說，它的直徑較大，能產(chǎn)生更強(qiáng)的引力，從而可以維持住比地球更厚的大氣層，有助于增強(qiáng)其溫室效應(yīng)。

搜尋宜居行星的下一代空間任務(wù)也即將出征，其中有兩個(gè)將沿用開普勒空間望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)。它們正在大西洋的兩岸加緊研發(fā)，都會(huì)使用凌星方法來進(jìn)行探測。更靈敏的探測器使得它們能發(fā)現(xiàn)更小的行星。

歐空局正在建造太陽系外行星探測衛(wèi)星（CHEOPS），計(jì)劃于2017年發(fā)射。它將研究那些已知擁有行星的近距恒星，測量行星的半徑，并尋找那些漏網(wǎng)的行星。

與此同時(shí)，美國航空航天局正在籌劃太陽系外凌星行星巡天衛(wèi)星（TESS）。它也計(jì)劃于2017年發(fā)射，將使用4臺(tái)大視場望遠(yuǎn)鏡來觀測天空中的500000顆恒星。據(jù)估計(jì)，TESS能發(fā)現(xiàn)1000顆至10000顆行星。如果有一顆位于小型恒星宜居帶的巖質(zhì)行星凌星的話，TESS就會(huì)發(fā)現(xiàn)它。

當(dāng)然，科學(xué)家更關(guān)心的是這些行星上可探測的生命跡象。這里仍有很大的不確定因素，因此實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一步是找到盡可能多的宜居行星。天文學(xué)家已經(jīng)有了一些候選目標(biāo)，CHEOPS和TESS 應(yīng)該會(huì)把這些搜索顯著向前推進(jìn)。E.T.——我們來了！

延伸閱讀

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡是專門搜尋銀河系中位于宜居帶內(nèi)的行星的。它已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾顆可能擁有生命的候選行星。

開普勒-438b

該行星被證實(shí)于2015年1月6日。開普勒-438b被認(rèn)為是一顆巖質(zhì)行星，半徑是地球的1.12倍。它距離我們470光年，以35.2天的周期圍繞一顆紅矮星公轉(zhuǎn)。雖然其宿主恒星的溫度比太陽低，但由于靠得近，使得它接收到的光能是地球的1.38倍。

開普勒-442b

該行星距離我們1120光年，半徑是地球的1.34倍，公轉(zhuǎn)周期為112天。雖然其宿主恒星的溫度僅比太陽稍低一點(diǎn)，但由于它的軌道較遠(yuǎn)，使得它接收到的光能只有地球的66%。

開普勒-186f

開普勒-186f于2014年4月被公布，也許是迄今距離我們最近的類地行星。雖然有些人稱它為地球2.0，但兩者并非完全相同。盡管它的半徑是地球的1.1倍，但因其宿主恒星比太陽暗，使得它接收到的能量只有地球的1/3。它是第一顆在其他恒星的宜居帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)的地球大小的行星。

開普勒-62f

它是圍繞恒星開普勒-62公轉(zhuǎn)的5顆行星中最外圍的一顆。因其半徑是地球的1.4倍，于是被稱為超級(jí)地球。它接收到的光能只有地球的41%，但它如此大的個(gè)頭提供的強(qiáng)引力可以維持一個(gè)較厚的大氣層，產(chǎn)生更強(qiáng)的溫室效應(yīng)。

開普勒-62e

它是開普勒-62f的姐妹行星，也是一顆超級(jí)地球。它位于其宿主恒星宜居帶的內(nèi)邊緣，因此接收到的光能超過地球。在恒星開普勒-62周圍發(fā)現(xiàn)兩顆潛在的宜居行星促使美國國會(huì)召開了聽證會(huì)，題為“太陽系外行星的發(fā)現(xiàn)：我們是否發(fā)現(xiàn)了其他的地球”。