搜尋系外生命，紅矮星成“新寵”

張唯誠

銀河系大約有2000億顆恒星，而每顆恒星都可能擁有行星。在過去的25年里，天文學(xué)家在太陽系之外發(fā)現(xiàn)了3600多顆行星，它們分布在銀河系中離我們不遠(yuǎn)的地方。其中有些正在為人們所關(guān)注，因?yàn)檫@些行星分布在一種和太陽不同的恒星周圍，這種恒星呈現(xiàn)著一種暗淡的紅色，被稱為紅矮星。人們認(rèn)為，這種恒星的周圍也有可能存在“宜居”的行星，而發(fā)現(xiàn)這種行星并且在這種行星上尋找生命還可能更容易。

紅矮星周圍的“新世界”

宇宙中的恒星形態(tài)各異，太陽只是其中的一種。比太陽更大、更熱的恒星有很多；比太陽更小、更冷的恒星也不少。現(xiàn)在引起科學(xué)家關(guān)注的那種紅色的暗星就比太陽小，它們的質(zhì)量小于0.8個(gè)太陽質(zhì)量，表面溫度比太陽低，在2500℃～5000℃之間，人們將這種恒星稱為M型紅矮星。

作為恒星，M型紅矮星既冷且小，還很暗淡，所以人的肉眼是看不見它們的。但宇宙中的M型紅矮星其實(shí)極多，在銀河系中，它們占了所有恒星總量的70%。比鄰星是離我們太陽系最近的恒星，它就是一顆M型紅矮星，它的表面溫度比太陽低2700℃，亮度僅相當(dāng)于我們的肉眼能夠看到的最暗恒星的百分之一。正因?yàn)镸型紅矮星很小很暗，它們的壽命才長得驚人。從理論上說，在M型紅矮星的周圍，行星和其上的生命都有很漫長的發(fā)展和演化的時(shí)間。

2016年8月，天文學(xué)家在比鄰星周圍發(fā)現(xiàn)一顆位于宜居帶內(nèi)的行星—比鄰星b，離地球只有4.2光年；2017年2月，天文學(xué)家在一顆距地球39光年的名為TRAPPIST-1的M型紅矮星周圍發(fā)現(xiàn)7顆行星，其中3顆位于宜居帶內(nèi)。到目前為止，人們在M型紅矮星周圍大約已發(fā)現(xiàn)了200顆行星，其中幾十顆運(yùn)行在宜居帶中。宜居帶是一條環(huán)繞著恒星的狹窄地帶，運(yùn)行在這個(gè)地帶中的行星通常擁有適宜的溫度使水保持液態(tài)，從而更有可能出現(xiàn)生命。

重新獲得水

由于M型紅矮星是一種和太陽不一樣的恒星，所以此前通常被認(rèn)為其周圍行星是難以孕育生命的。首先，M型紅矮星的宜居帶離主星很近，那里的行星會(huì)被恒星的引力“鎖住”，導(dǎo)致行星的一面總是朝著恒星，另一面總是背著恒星，就像月亮的一面始終背著地球一樣。這種情況會(huì)使行星兩個(gè)半球的氣候極其惡劣；其次，由于恒星和行星離得非常近，M型紅矮星的耀斑會(huì)使行星處在X射線和紫外線的輻射之中，這對生命的發(fā)展和演化是非常不利的，而且，行星的大氣層還很有可能被耀斑剝蝕掉；最后，盡管M型紅矮星的壽命非常長，但它們在形成的時(shí)候也要經(jīng)歷很狂暴的過程，那時(shí)恒星的活動(dòng)很劇烈，它周圍的行星倍受炙烤和侵?jǐn)_，這樣的環(huán)境被認(rèn)為很難保存其上的水，沒有水，生命存在的希望就渺茫了。

然而，隨著觀測和研究的深入，人們對這種恒星的認(rèn)識(shí)有所改變。人們發(fā)現(xiàn)，在M型紅矮星的周圍發(fā)現(xiàn)宜居的行星更容易，這是因?yàn)椋行且獜倪@種低溫的恒星上得到適宜的熱量，它們就必須離這種恒星很近，行星的引力就會(huì)使恒星的搖擺很明顯，而且周期也更短更密，這樣一來，M型紅矮星周圍的行星就更容易被發(fā)現(xiàn)了。

關(guān)于水的問題，雖然早期的惡劣環(huán)境和耀斑會(huì)奪去行星上的水和大氣，科學(xué)家還是認(rèn)為，這些行星有一些辦法重新獲得水和大氣，地球就有這樣的例子。

對于月亮的起源，雖然有各種不同的觀點(diǎn)，但主流觀點(diǎn)還是認(rèn)為它來自于地球和另一顆火星大小的“原行星”的碰撞，那次劇烈的碰撞使地球擁有了月亮，但也驅(qū)散了地球上絕大部分大氣和水。一小部分水和氣體被扣在了地幔中，這些水和氣體在隨后的歲月里溢出地表，并重建了地球的大氣層。所以科學(xué)家認(rèn)為，在M型紅矮星的附近，盡管環(huán)境有時(shí)很惡劣，但那里的行星還是有可能重復(fù)地球上曾經(jīng)發(fā)生過的事，從而也擁有一些水和二氧化碳。

被“鎖住”也有希望

在M型紅矮星的附近，一些行星還有另外一種辦法使自己變得“宜居”。這種行星的大小介于1～10個(gè)地球之間，有很厚的大氣層，其中50%是氫和氦?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，來自恒星的紫外線輻射和行星本身朝向恒星的某些運(yùn)動(dòng)有可能將這種行星的原始大氣層蒸發(fā)掉，只留下大氣層之下的巖石表面，這種星球就有可能演化成既有巖石表面又有豐富液態(tài)水的世界。

然而，在M型紅矮星的附近，處于宜居帶中的行星還要解決引力帶來的麻煩。如前所述，由于離恒星太近，恒星的引力會(huì)將行星“鎖住”，使其一面始終對著恒星，另一面始終背著恒星，這樣一來，行星上面的氣候就很特別了。在地球上，活躍的自轉(zhuǎn)會(huì)使大氣得以循環(huán)，并把熱量均勻地分布開來，但被“鎖住”了的行星做不到這些，于是，面向恒星的一面就會(huì)非常熱，乃至于將水全部蒸發(fā)到了太空中，而背對恒星的一面則非常冷，乃至于連大氣都凝結(jié)在了地表上。

不過，即使在這樣的情況下，M型紅矮星周圍的行星也并不是沒有辦法?？茖W(xué)家認(rèn)為，即使行星被“鎖住”，大氣的循環(huán)也并非不可能，例如，假如大氣中存在少許的二氧化碳，大氣中的熱量就會(huì)得到一定程度的保持，它們還可以分散開去，從而環(huán)繞整個(gè)星球。另外，在面對恒星的一面還有可能形成永久性的厚重云層，這種云層能反射很多恒星發(fā)出的光，從而使氣候變得涼爽一些。

發(fā)現(xiàn)行星的大氣

運(yùn)行于宜居帶中的行星面對的另外一個(gè)威脅是劇烈的恒星耀斑。M型紅矮星的耀斑常使它周圍的行星處在X射線和紫外線的輻射之中，這很有可能將行星的大氣層剝蝕掉。然而，科學(xué)家新近用計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果顯示，事情可能并非如此嚴(yán)重。

要想獲得確定的結(jié)果，人們需要更多的數(shù)據(jù)，而最有說服力的數(shù)據(jù)來自于對“凌星”現(xiàn)象的觀測。所謂“凌星”，就是行星正好運(yùn)行到恒星和地球之間時(shí)，從地球上的望遠(yuǎn)鏡看過去，行星就正好劃過恒星的表面，恒星發(fā)出的光被遮擋和吸收掉了一部分。在“凌星”的時(shí)候，望遠(yuǎn)鏡就能觀測到這些光，仔細(xì)分析光線中哪些頻率的光被吸收掉了，吸收掉了多少，人們便可知道行星大氣層中是否存在水蒸氣和其他成分，還能了解行星上的氣候狀況，例如氣溫和壓力等。這樣一來，人們就可以推測行星上是否存在液態(tài)水了。

這樣的觀測需要很強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡。新近的一次觀測是針對一顆名為Gliese 1132的M型紅矮星進(jìn)行的，這顆行星的大小是地球的1.6倍，它過于靠近它的“太陽”，所以被認(rèn)為不大可能“宜居”。然而，這次觀測顯示，在這顆已有50億歲的M型紅矮星的周圍，行星保持住了自己的大氣層。這和計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果是一致的。

到目前為止，人們只在三種恒星的周圍發(fā)現(xiàn)了擁有大氣的行星，一種是M型紅矮星，一種是K型紅矮星（紅矮星的一種，比M型紅矮星稍熱），最后一種就是類似太陽的恒星。前兩種，人們對其行星的大氣了解得非常少，只有最后一種，人們在其行星的大氣中發(fā)現(xiàn)了存在甲烷的線索。

目前，已有多個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目正在監(jiān)測太陽系周邊的M型紅矮星，大量望遠(yuǎn)鏡和人造衛(wèi)星都試圖找到圍繞這些M型紅矮星旋轉(zhuǎn)的行星。最新加入的就是2018年4月升空的“凌星系外行星巡天衛(wèi)星”（TESS），作為開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的“接班人”，TESS也是使用凌星法進(jìn)行系外行星勘測的。還有經(jīng)過幾次推遲、未來兩年可能發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，作為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的“后繼者”，它將用凌星法研究幾百顆系外行星，其中的一些是圍繞M型紅矮星運(yùn)行的。通過這些努力，人類希望在不久的將來發(fā)現(xiàn)可能適宜生命存活的M型紅矮星的行星。