熱烈歡迎：尋覓可居住的行星

張弨+晨飛

麻省理工學(xué)院行星科學(xué)和物理學(xué)教授薩拉·西格說：“如果我們能夠識別出另一顆類似地球的行星，從起初認(rèn)為一切均圍繞著我們地球旋轉(zhuǎn)，到如今知道存在著很多其他類地行星，這就形成一個完整的認(rèn)識過程?！?/p>

在我們的太陽系之外找到數(shù)千顆行星被認(rèn)為是人類探索中的“欣喜發(fā)現(xiàn)”。但是最大的回報(bào)還沒有到來：獲取一個遙遠(yuǎn)的可居住世界的證據(jù)。

我們自熟悉的地面開始搜索，因?yàn)槲覀冞@個星球目前是具有生命的唯一的例子。在我們星球上，水是不可缺少的，因此天文學(xué)家在宇宙中搜索與之類似的環(huán)境。圍繞幾乎每個“正常”的星體，包括我們的太陽，我們可以勾畫出一個潛在的居住條件，即：存在液態(tài)水所需的合適的距離與溫度。恒星和行星有很多種類并且大小各異，這些因素的相互作用決定了這個“可居住區(qū)域”的范圍。

相對個頭更小、溫度更低的矮恒星而言，一個巨大灼熱恒星的可居住區(qū)域距離它較遠(yuǎn)。如果按照我們的計(jì)劃，首先根據(jù)已知信息進(jìn)行搜索，那么較小的巖石世界是我們尋找生命證據(jù)最好的選擇。

因此，盡管科學(xué)家對構(gòu)成可居住區(qū)域的認(rèn)識在不斷深化，最理想的選擇仍是位于恒星可居住區(qū)域內(nèi)的一個地球大小的巖石世界。

渴望合適的恒星

事情還遠(yuǎn)沒有結(jié)束。雖然行星和恒星的大小和組成對可居住性而言至關(guān)重要，但是時間因素也很關(guān)鍵。體型大且明亮的恒星比那些更溫和的恒星燃燒得更快，它們?nèi)紵盍恋臅r間只有幾百萬年，然后就開始熄滅了；而我們的太陽已經(jīng)持續(xù)閃耀了45億年，還將持續(xù)50億年。屆時，太陽將會膨脹數(shù)倍，可能會吞噬地球和其他內(nèi)部行星，任何地球生命都將被烤焦。

地球的形成源于初始太陽的原始星盤的灰塵和塊狀物質(zhì)。第一批微觀生命常常被認(rèn)為是地球形成之后大約10億年出現(xiàn)的，大約又經(jīng)過30億年，多細(xì)胞宏觀生物才出現(xiàn)，它們的印跡開始在化石中被發(fā)現(xiàn)。

幾億年的時間可能足夠產(chǎn)生微生物，但對形成大型動物，特別是那些開口說話和建立射電望遠(yuǎn)鏡的物種來說，這個時間跨度可能會太短。因此，我們需要將那些大而亮的恒星排除在尋找名單之外。

另一方面，長壽的矮恒星可能是應(yīng)該尋找的地方。甚至那些擁有近距離的可居住區(qū)域的星體，因?yàn)樗鼈儠怀毕i定，總是同一面朝向恒星，所以科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為這樣的世界一面會被烤焦，另一面會被凍結(jié)，不適宜生命生存。但是，通過進(jìn)一步的建模和觀察，發(fā)現(xiàn)這些行星環(huán)繞的風(fēng)可以消除其影響，為這些世界提供溫和的氣候。

最安全的賭注可能是那些類似太陽的恒星，它們擁有與地球大小相當(dāng)和類似軌道的行星。

伴星會使行星顯得更小

在搜尋類似地球的系外行星時，很重要的一點(diǎn)是對行星的密度進(jìn)行比較。低密度行星更可能是類似木星的氣態(tài)行星，而高密度意味著該行星有可能與地球這樣的巖質(zhì)行星相似。但美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的最新研究發(fā)現(xiàn)，某些行星的高密度很可能是由系統(tǒng)中隱藏的第二顆恒星造成的假象，它們本身并不具有這么高的密度。

在太空中進(jìn)行定向觀測的望遠(yuǎn)鏡無法區(qū)分所有的單恒星系統(tǒng)和雙恒星系統(tǒng)。即使使用美國航空航天局的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡這樣的精密設(shè)備，兩顆緊密繞行的恒星在圖像中看起來可能也只是一個光點(diǎn)。來自加州理工大學(xué)紅外處理分析中心、美國航空航天局系外行星科學(xué)研究所的伊莉斯·弗蘭，以及美國航空航天局艾姆斯研究中心的斯蒂文·豪厄爾指出，這可能會對估算圍繞其中一顆恒星運(yùn)行的行星的體積具有重大影響。

“隨著獲取到更多有關(guān)恒星的信息，圍繞它們的行星中，有多少是類似地球的小型行星，有多少是像木星那樣的大型行星，我們關(guān)于這些問題的答案可能會隨之改變?！备ヌm說，“只有充分了解了恒星，才能對它們的行星有準(zhǔn)確的認(rèn)識?！?/p>

許多已經(jīng)研究透徹的系外行星都是圍繞單顆恒星的。我們已經(jīng)知道，開普勒186f這顆和地球大小近似的行星，處在恒星的宜居帶里，并且它的母星沒有伴星。表面溫度極低的紅矮星TRAPPIST-1具有7顆地球大小的行星，它也沒有伴星。在這些情況下，行星直徑的估測不會受到影響，因此獲得的行星密度也是準(zhǔn)確的。

但是，最近獲得的高分辨率圖像顯示，其他恒星附近存在著伴星。美國航空航天局系外行星科學(xué)研究所的首席科學(xué)家大衛(wèi)·恰爾迪領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)大規(guī)模研究，利用多個地面望遠(yuǎn)鏡對開普勒空間望遠(yuǎn)鏡觀測到的恒星進(jìn)行追蹤。和其他研究一起，他們確證這些恒星當(dāng)中具有行星的，大多是雙恒星系統(tǒng)。在此之前，天文學(xué)家計(jì)算行星直徑時并沒有將另一顆恒星的影響考慮在內(nèi)。這意味著對這些行星體積的估計(jì)值與實(shí)際值相比偏小，行星密度的估計(jì)值則偏高了。

此前的研究認(rèn)為，太陽系周邊區(qū)域里的同類恒星，大約有1/2在10000天文單位內(nèi)有一顆伴星?；谶@一估計(jì)，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡觀測到的恒星中，有15%可能擁有一顆明亮的近距離伴星，也就是說，這些恒星周圍的行星或許比之前推測的密度要小。

雙恒星系統(tǒng)的凌星問題

當(dāng)望遠(yuǎn)鏡觀測到凌星現(xiàn)象，也就是行星從它所屬的恒星前方通過時，天文學(xué)家可以測量恒星亮度的衰減。凌星時被擋住的光線多少取決于行星的大小——行星越大，擋住的光線越多，觀測到的亮度衰減就越強(qiáng)?？茖W(xué)家用這些信息來推算行星的半徑。

如果是雙恒星系統(tǒng)，望遠(yuǎn)鏡測量到的則是兩顆恒星亮度的綜合。但是行星只圍繞其中一顆恒星公轉(zhuǎn)，也只會造成這顆恒星的亮度衰減。因此，如果沒有將第二顆恒星考慮進(jìn)來，對行星體積的估計(jì)就會偏小。

舉例來說，如果望遠(yuǎn)鏡觀測到恒星亮度衰減5%，科學(xué)家會按照單恒星的情況來推算凌星的行星的體積。但是，如果有第二顆恒星增加系統(tǒng)的整體亮度，為了造成同樣程度的亮度衰減，行星的體積應(yīng)當(dāng)更大。

如果行星繞雙恒星系統(tǒng)中較亮的恒星公轉(zhuǎn)，系統(tǒng)中大部分亮度來自這顆被繞行的恒星，在估算行星體積時的影響不會很大。但是，如果行星繞行的是亮度較低的恒星，另一顆恒星對整個系統(tǒng)的亮度貢獻(xiàn)更大，推測出的行星半徑就可能要進(jìn)行較大的調(diào)整了，估算值可能是實(shí)際值的2倍、3倍，甚至更多。而行星半徑會影響對其軌道距離的估算，進(jìn)而影響對行星是否處于宜居帶的判斷。

如果兩顆恒星亮度差不多，那么造成與單恒星系統(tǒng)同等水平的亮度衰減，所需的行星半徑要多出40%。因?yàn)橛?jì)算密度時會使用半徑的立方，半徑增加40%，會造成密度降低至1/3。這項(xiàng)修正對小型行星來說具有重大影響，因?yàn)樗馕吨?jīng)被定性為巖質(zhì)行星的，可能實(shí)際上是一顆氣態(tài)行星。

在最新的研究當(dāng)中，弗蘭和豪厄爾把在開普勒空間望遠(yuǎn)鏡視場中出現(xiàn)過的50顆行星作為研究對象，這些行星的質(zhì)量和半徑此前都已經(jīng)估算過。這些行星圍繞的恒星在1700天文單位內(nèi)都有一顆伴星，其中有43顆在估算體積時沒有把第二顆恒星的影響考慮在內(nèi)。這意味著修正它們的估計(jì)值是有必要的。

在大多數(shù)情況下，已知的行星體積不需要進(jìn)行太大的更改。此前的研究顯示，在被選中的50顆行星當(dāng)中，有24顆圍繞雙恒星系統(tǒng)中更大并且亮度更高的恒星運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，弗蘭和豪厄爾確認(rèn)，另外11顆行星如果屬于雙恒星系統(tǒng)中亮度較低的恒星，那么其修正后的體積對行星來說大得不合理。因此，這35顆行星的體積估算值不會有重大變化。

但是對其他15顆行星來說，確定它們屬于雙恒星系統(tǒng)中的哪一顆恒星的難度很大。這15顆行星當(dāng)中，有5顆所屬的雙恒星系統(tǒng)擁有兩顆亮度基本相等的恒星，因此無論它們屬于哪一顆，修正后的密度都會極大降低。

這種伴星效應(yīng)在對開普勒空間望遠(yuǎn)鏡尋找到的數(shù)千顆系外行星進(jìn)行分析時影響巨大。此外，它對美國航空航天局即將啟動的凌星系外行星巡天望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目也具有重要作用，該項(xiàng)目計(jì)劃尋找高亮度恒星以及小型低溫恒星附近的體積較小的行星。

“在今后的研究中，我們希望觀測到的行星類型和體積都和實(shí)際情況一致?！焙蓝驙栒f，“正確的行星體積與密度，對將來美國航空航天局的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡選擇目標(biāo)天體至關(guān)重要。從大局來說，了解哪些行星是小型的巖質(zhì)行星，將幫助我們確定在銀河系中其他地方發(fā)現(xiàn)與地球類似的行星的可能性?！?h3>越來越多的可居住世界

那么，目前搜索結(jié)果如何？在20多年的探索中，通過地面和天基觀測，我們在已被搜索的很小范圍的星系中，已經(jīng)確認(rèn)了超過3200個系外行星。加上一些有待確認(rèn)的行星，該數(shù)量會上升至5600多個。

到目前為止，發(fā)現(xiàn)的許多行星都是由天然氣或冰組成的巨型星體，幾乎沒有一個固體表面，進(jìn)而無法擁有溫暖的小池塘。但是，我們也在地球大小的行星中找到了一些巖石世界。即使隨著未來幾年觀測技術(shù)的進(jìn)步，我們也不太可能知道已被發(fā)現(xiàn)的任何系外生命的確切性質(zhì)，無論是藻類還是跳躍的六條腿長頸鹿的外殼。然而，在這些類似地球的巖石世界中，我們可以窺視生命所需的條件。但是，我們?nèi)绾螖喽ㄊ欠裼腥嗽谀兀?