尋覓地球2.0

撰文 武延慶

地球是不是宇宙中的特例？為了回答這個問題，中國即將開展系外行星搜索。

從遠(yuǎn)古起，我們的祖先夜夜凝望天空，早就熟悉了星星和太陽繞著地球運轉(zhuǎn)的作息?？墒俏灏倌昵案绨啄釋κ廊苏f，不對，不是太陽繞著地球轉(zhuǎn)，而是地球繞著太陽轉(zhuǎn)。這之后，地球的神圣位置一降再降。再后來，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽系只不過是偉大的銀河星系里一個平凡得不能再平凡的行星系，而銀河系又只是宇宙里一個平凡得不能再平凡的星系。這讓我們?nèi)祟悜岩?，自己在這個宇宙中是否獨特。地球上的生命和智慧，我們引以為傲的技術(shù)和進(jìn)展，在這個宇宙中是否只是一件尋常事情？外星智慧也許跟我們只有一“河”之隔？

這樣的想法只是一個設(shè)想。目前不僅外星智慧無影無蹤，就連著名的估算星際文明的德雷克公式，我們也只對前兩項有所了解：銀河系內(nèi)恒星的數(shù)目和恒星中擁有行星的比例。迄今為止，我們對德雷克公式中的第三項，即宜居區(qū)內(nèi)的類地行星在行星中的比例（所謂的η 地球）了無所知。德雷克公式后面的幾項，都跟生命有關(guān)，還沒有參透生命奧秘的我們更無從談起。

以現(xiàn)在的技術(shù)，我們有望在幾年內(nèi)找到地球2.0（一些與地球大小相似、軌道相似、主恒星相似的行星）并測量η 地球。更讓人興奮的是，中國的空間技術(shù)，或?qū)椭祟愓业竭@個答案。

德雷克公式

地球2.0與生命的偶然？

生命在地球上出現(xiàn)，然后逐漸產(chǎn)生智慧，說起來好像順理成章，可是哲學(xué)卻告訴我們：存在是合理的，但不一定是必然的。現(xiàn)在的科學(xué)研究讓我們認(rèn)識到，地球生命的產(chǎn)生，或許只是一些偶然事件積累的結(jié)果。

我們不妨先看看地球的軌道。地球離太陽的距離不遠(yuǎn)不近，正好處在恒星宜居帶中。假如地球離太陽比現(xiàn)在再近一點，地表溫度略高，溫室效應(yīng)強(qiáng)烈導(dǎo)致大氣里的水汽越聚越多，溫度不斷升高，那么地球會走上金星的不歸路：地表變得無比炎熱。假如地球離太陽比現(xiàn)在稍遠(yuǎn)一點，地球的表面溫度將會下降到零度以下。水汽凝結(jié)成冰，冰封大地，太陽光都被冰反射回外太空，那么地球會變得像火星那樣，一年四季冰洋不化。

地球的質(zhì)量不大也不小，恰到好處。假如地球質(zhì)量再大一點，地球上的山就不會像現(xiàn)在這么高（因為更強(qiáng)的重力會讓高山更容易被自己壓垮），留給生物的垂直生態(tài)位空間會比現(xiàn)在更小，生物多樣性也不會像現(xiàn)在這么豐富。同時，重力增大會導(dǎo)致化學(xué)火箭難以發(fā)射衛(wèi)星。除非用原子能，否則航空航天將無從發(fā)展，天文學(xué)也只能停留在地表。假設(shè)地球的質(zhì)量小了一點，重力減小了，大氣里的水分子就又容易被太陽風(fēng)刮走。我們的大氣日漸稀薄，環(huán)境會變得像火星一樣惡劣。

地球的大氣層和海洋，也被調(diào)節(jié)得非常完美。大氣里的二氧化碳濃度如果太高了，全球會變得比阿拉伯酋長國的沙漠還熱；濃度如果太低了，地球又會變成一個冰封萬里的白色星球；地球的大氣，如果不是由透明的氮氣和氧氣組成，太陽光穿越不到地表，也就不會有光合作用。海洋占地球表面面積的70%，生命在海洋里順利演化成功，才登上陸地。可如果海洋太大，沒有了陸地，也就沒有了生火做飯的木材，人類智力的進(jìn)化會遲滯許多，蒸汽機(jī)和集成電路這類技術(shù)可能永遠(yuǎn)不會誕生……

締造出人類智慧的這些偶然事件，在系外行星上是否會再次出現(xiàn)？沒有人知道。但是如果我們能找到第二個地球，科學(xué)驗證就成了可能。受現(xiàn)在的技術(shù)限制，我們尚不能找到與地球一模一樣的行星。因此，我們只能退一步，轉(zhuǎn)而尋找與地球類似的“地球2.0”。在所有的系外行星中，“地球2.0”的環(huán)境最有可能孕育生命。

開普勒計劃：2009—2013

就算不那么了解天文學(xué)的人可能也知道，尋找系外行星不是一件新鮮事。我們現(xiàn)在已確認(rèn)了4 千多個系外行星?？墒?，這里面居然沒有一個長得像地球！

這個故事還要從1995 年講起。這一年，瑞士科學(xué)家麥耶和奎洛茲用法國南部的一個2 米的小口徑望遠(yuǎn)鏡探測到了第一個系外行星，這個發(fā)現(xiàn)一經(jīng)發(fā)布就馬上得到其他科學(xué)家的確認(rèn)。2019 年，麥耶和奎洛茲因發(fā)現(xiàn)系外行星榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。

截至目前，地面望遠(yuǎn)鏡已找到了近千個系外行星，其中大多是通過徑向速度法找到的（麥耶和奎洛茲采用的方法），具體方法是觀測恒星在行星的引力下產(chǎn)生的微弱的來回?fù)u擺。不過，這種方法只能找到與木星一樣質(zhì)量龐大的行星，離我們要找的“地球2.0”相差甚遠(yuǎn)。

幸好，這不是人類唯一的“魔法”。早在1984 年，當(dāng)我們對系外行星還一無所知時，時任美國宇航局工程師的博魯茨基就已經(jīng)先知先覺地在籌劃另一種尋找辦法了。他的想法很簡單：每當(dāng)金星凌日（太陽—金星—地球三者位于同一直線上)，金星把太陽的極小一部分擋住，從地球上觀測到的太陽亮度就會就會減弱一些。同理，一個位置合適（而且必須足夠聰明）的外星人也可以通過觀測地球凌日，來發(fā)現(xiàn)我們的地球。當(dāng)然，凌星事件發(fā)生的概率較小，要找到“地球2.0”，必須要觀測大量的恒星，并且要不眨眼地凝視很長的時間（甚至是幾年）。另外，我們的測光儀器要足夠精確：地球凌日時，地球只遮住了太陽光盤的萬分之一，其造成的亮度差異是很小的。所以雖然這個辦法很容易實施，美國宇航局卻不買賬。從1992 年博魯茨基第一次提議，這個項目連續(xù)五次都被美國宇航局以技術(shù)不夠成熟的理由拒絕。幸虧博魯茨基不僅先知先覺，更有超過凡人的毅力。他不泄氣，耐著性子在地面上發(fā)展探測器和探測技術(shù)，克服一個個技術(shù)難關(guān)，最終說服美國宇航局，在2009 年把探測望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到了太空，這就是美國宇航局的開普勒計劃。

探測系外行星的辦法

開普勒望遠(yuǎn)鏡

開普勒望遠(yuǎn)鏡打開了觀察宇宙的一個大窗口，幾年之內(nèi)它單槍匹馬，發(fā)現(xiàn)了近三千個系外行星，不僅讓人類所知的地外行星數(shù)增長了好幾倍，而且，更重要的是，開普勒望遠(yuǎn)鏡使人類大開眼界，顛覆了我們對系外行星世界的認(rèn)識。

傳統(tǒng)的徑向速度法告訴我們的大都是些巨型行星（類似于木星和土星，但也有些例外），而開普勒望遠(yuǎn)鏡揭示了宇宙內(nèi)一類前所未知但又極其普遍的行星種群（超級地球和亞海王星）。這些沒有那么大的行星繞著銀河系中大約三分之一的恒星近距離運轉(zhuǎn)，數(shù)量也是巨行星的四倍。最讓科學(xué)家們激動的是，這些小型行星的大小與地球相差不大。

開普勒計劃成就了整個行星科學(xué)領(lǐng)域輝煌的十年。可在這些輝煌中，又藏了一個巨大的遺憾。開普勒計劃的初衷，是尋找像地球一樣的行星?？墒撬业降膸浊€行星里，居然沒有一個長得像地球！

有人問，你怎么知道那些行星長得和地球像不像？

其實，不管是徑向速度技術(shù)探測到的巨型行星，還是開普勒任務(wù)發(fā)現(xiàn)的亞海王星，它們都可被稱為“一代行星”（太陽系的土星，木星，天王星和海王星就是例子）。它們的表面籠罩著厚厚的氫氣，表明它們是在恒星生命早期形成的。這時，恒星周圍還環(huán)繞著一個氫氣盤，這些氫氣是造星工程的廢棄材料。就連那種被叫作超級地球的，雖然它們擁有固態(tài)的地表，現(xiàn)在理論認(rèn)為它們其實也是亞海王星，只不過因為太靠近主恒星，被恒星強(qiáng)烈的X 射線剝掉了其與生俱來的氫氣大氣，留下一個裸露的固態(tài)行星核。相比之下，地球和它的小伙伴行星應(yīng)該被稱作“二代行星”。它們可能是氫氣盤消失后,由不知道哪來的殘渣碎片碰撞聚攏而成。

關(guān)于開普勒望遠(yuǎn)鏡的一些數(shù)字

目前探測到的系外行星

一代行星不太可能孕育生命。假設(shè)你來到這樣一個行星上，你會慢慢地隨風(fēng)（厚厚的氫氣）飄落到一個軟塌塌的地面——氫氣的溫室效應(yīng)使行星溫度保持在幾千攝氏度之高，足以熔化鋼鐵，這些一代行星的內(nèi)核也被熔化。就算是那些超級地球也好不到哪兒去，它們距離主恒星太近，其巖石地表就算沒有被熔化成熔漿,也離熔化不遠(yuǎn)了。反而，正如我們在地球上見證的那樣，二代行星的環(huán)境對生命形成和演化更友好。它們的地下和大氣可能包含碳、氧、氮等生命所需的元素，它們的大氣層可能相對較薄，可以產(chǎn)生合適的溫室效應(yīng)。

更為遺憾的是，開普勒計劃不僅沒有找到地球2.0，連二代行星好像都沒有找到幾個。難道是太陽系里出了什么意外，才誕生了地球這種異類？

對于開普勒計劃的失敗，一個可能的解釋是：在宇宙里，地球真的是孤獨的。但是，現(xiàn)在還不是放棄探索的時候。開普勒計劃的失敗還有另外幾個原因，足以讓我們堅持找下去。

第一，恒星不“恒”。恒星表面氣候復(fù)雜多變，它們的亮度也不停變化。開普勒望遠(yuǎn)鏡上天后，得到了一個令人不悅的發(fā)現(xiàn)：恒星的閃爍不定，比我們的預(yù)想糟糕多了。在這嘈雜的變化下，開普勒望遠(yuǎn)鏡難以捕捉到不及恒星亮度萬分之一的微弱變化。

第二，廠家質(zhì)量把關(guān)不夠。開普勒望遠(yuǎn)鏡運行4 年之后，兩個反作用轉(zhuǎn)動輪連續(xù)失靈，這臺天價望遠(yuǎn)鏡因此無法調(diào)整方向，無法繼續(xù)觀測系外行星，這不能不說是一大遺憾。但是，在開普勒望遠(yuǎn)鏡所凝視的幾萬顆恒星里，很可能已經(jīng)有了“地球2.0”的蹤跡，只不過它們產(chǎn)生的凌星效應(yīng)太弱，被埋藏在恒星信號的噪聲里，無法解讀。而開普勒望遠(yuǎn)鏡的英年早逝，又使得科學(xué)家與“地球2.0”失之交臂。這個遺憾，人類能否彌補(bǔ)？

太空望遠(yuǎn)鏡如何尋找系外行星

“地球2.0”與中國空間計劃

2019 年12 月3 日，一場答辯會正在中國空間中心緊張地進(jìn)行。上海天文臺和南京紫金山天文臺各提出了一個尋找“地球2.0”的空間探測計劃，評委們正在聽取報告，頻頻發(fā)問，裁斷孰勝孰負(fù)。

上海天文臺的ET 計劃

上海天文臺的計劃簡稱為ET（Earth Two，意為“地球2 號”），是建造并發(fā)射一臺由7 個中等大小的廣角望遠(yuǎn)鏡組成的空間望遠(yuǎn)鏡。這些望遠(yuǎn)鏡會瞄準(zhǔn)開普勒望遠(yuǎn)鏡觀測過的幾個天區(qū)以及附近天區(qū)，持續(xù)4 年監(jiān)測二十多萬個亮星，以捕抓到行星凌星時產(chǎn)生的微弱信號。目前猜測每十個類太陽恒星中大約有一個地球2.0（也就是η 地球約為10%）。如果對的話，ET 就能在4 年內(nèi)找到十幾個地球2.0。除此之外，ET 還能找到近千個宜居帶外的類地行星，對這些二代行星進(jìn)行第一次“行星普查”。

開普勒發(fā)現(xiàn)的類地球行星（模擬圖）

除此之外，ET 可以找到成千上萬個不同種類的系外行星，包括地球的遠(yuǎn)親近戚。ET 雖然比開普勒望遠(yuǎn)鏡體積小、造價低，但是它的科學(xué)產(chǎn)出預(yù)計能與開普勒望遠(yuǎn)鏡媲美。中國天文學(xué)家們還相信，這個計劃甚至比歐空局正在建造的PLATO 飛船更有把握發(fā)現(xiàn)地球2.0。

為何指望一個比開普勒望遠(yuǎn)鏡更小的望遠(yuǎn)鏡，在短短四年時間里完成開普勒望遠(yuǎn)鏡未竟的事業(yè)？除開這十年來的技術(shù)進(jìn)步外，還可以這么解釋：設(shè)想你在一個嘈雜的酒吧里跟人聊天，你的聲音太小，對方聽不見，你得說多幾次才有效果。我們要尋找的地球2.0，其實可能已經(jīng)在開普勒望遠(yuǎn)鏡浩繁的探測數(shù)據(jù)里有了蹤跡，我們可能只需要再認(rèn)真聽幾次，就可以找到它。

紫金山臺的衛(wèi)星計劃更是獨辟蹊徑。這個大膽的計劃主張發(fā)展另外一種尋找行星的技術(shù)，叫作“天測”：觀測恒星在行星引力的作用下在星空上的微妙舞步。要探測到地球，這個技術(shù)需要達(dá)到一個前所未有的精度：毫角秒——這相當(dāng)于分辨出兩根并排放在月亮上的牙簽。但是，這種技術(shù)的優(yōu)點確實值得科學(xué)家們下大力氣攻關(guān)。

尋覓地球2.0 的過程極大地挑戰(zhàn)了人類的創(chuàng)造力。而上海天文臺和南京紫金山天文臺的兩個計劃互補(bǔ)互助，從不同方向，用不同步驟沖刺。地球是否孤獨的命題，很有可能由中國空間科學(xué)家驕傲地解答出來。

找到地球2.0，可不是指望移民到那兒。這些充滿異星情調(diào)的世界，動輒離我們幾十光年甚至上百光年。不過，地球人類正在建設(shè)各種空間和地面的巨大望遠(yuǎn)鏡，準(zhǔn)備耐心地盯著這些行星（特別是那些凌星的類地球），遠(yuǎn)距離勘測它們是否孕育生命。接下來的好戲?qū)⒏泳剩?/p>