行星獵人正在尋找另一個地球

雅格布·普利斯科+高鵬

“我想發(fā)現(xiàn)另一個地球。我活著就是為了干這件事。”

麻省理工學院的天體物理學家薩拉·西格爾尋找系外行星已經(jīng)有差不多20年時間了。

當?shù)谝活w系外行星在20世紀90年代被發(fā)現(xiàn)時，遭到了許多人的質(zhì)疑，并且認為那不是真的。但自那以后，隨著人類的技術越來越高，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過6000顆系外行星，其中大多數(shù)是巨大的氣態(tài)行星。

今天，在系外行星的名單上，每周都在增加新的成員。隨著那么多系外行星走出了藏身處，這場比賽正在變成確定哪一顆行星與地球類似，是一個擁有液態(tài)水的巖石世界，并且適合生命定居。

西格爾相信，她知道怎樣做才能有所發(fā)現(xiàn)。

“這些根本就不是行星！”

看到系外行星可不是一件容易的事，因為你不可能通過一臺望遠鏡就看到它們，它們的宿主恒星發(fā)出的刺眼的光芒，嚴重影響了我們的觀測。與太陽相比，這些光線的強度和特性可能非常不同。通常，觀測系外行星的過程被描述為“試圖從數(shù)千千米外辨認出一只環(huán)繞著一座燈塔飛行的螢火蟲”。

第一批系外行星是在1995年通過觀察恒星是否對另一個天體的引力做出響應，并發(fā)生輕微的晃動而間接發(fā)現(xiàn)的。此時，西格爾還只是一個正在為攻讀博士學位而尋找課題的哈佛大學研究生。這片研究遙遠行星的新生科學領域引起了她的興趣。

“自從系外行星被間接發(fā)現(xiàn)以來，大多數(shù)人都不相信這些發(fā)現(xiàn)是真的。他們會對我說：‘你為什么要這么做？這些根本就不是行星！”西格爾說。

反對者也不是完全錯誤的，這種晃動也可能是由其他因素造成的，比如另一顆恒星的影響。但是后來，人們找到了一種完全不同的方法，使他們的搜尋工作變得更為簡單，這種方法被稱為凌日法。當一顆行星在其宿主恒星前面經(jīng)過時，將導致該恒星的光線稍微變暗。

“如果一顆通過擺動技術探測到的行星顯示出凌日現(xiàn)象，那么這顆行星的存在基本上就是無可爭議的了。”西格爾說。

外星大氣層

西格爾不想只是簡單地尋找遙遠的行星，她把目光投向了更具體的東西—它們的大氣層。她是第一個這樣做的人。

“大氣層是很重要的，因為它是人們尋找生命跡象的一條途徑：我們看到的氣體也許原本并不存在于這些行星上，它們也許是某些生命形式制造出來的。”她解釋說。

但是，觀測到一顆系外行星已經(jīng)是相當困難的事情了，如何才能觀察它們的大氣層呢？這時，恒星發(fā)出的光就派上用場了。“當一顆行星運行到其恒星前面產(chǎn)生凌日現(xiàn)象時，我們就可以仔細分析其大氣的成分了。這要多謝那些恒星發(fā)射出的穿越了行星大氣層的光芒。”西格爾說，“觀測就好像是欣賞彩虹發(fā)生的過程。如果你近距離觀察彩虹，就能看到在顏色之間有細小的黑線，也就是說有一部分顏色失蹤了。這些黑線之所以存在，是因為地球的大氣層吸走了其中的一些光線。”

對特定氣體來說，這些黑色的線條就像是其指紋，同時也是可以用來破譯行星大氣層中存在哪些氣體的專用工具。1999年，西格爾提出，一種特定的元素—鈉—應該留下一個可檢測的“指紋”。“這就像臭鼬放的臭屁：一丁點的鈉就能制造出一個很大的印跡。”她說。

西格爾是正確的。2年后，人們使用哈勃空間望遠鏡證實了她的預言，在一顆熱木星的大氣層中發(fā)現(xiàn)了鈉。熱木星是比地球大很多倍的氣態(tài)星球，它們的軌道非常接近其恒星，這讓它們非常灼熱。

因為它們的個頭夠大，所以熱木星是最容易被發(fā)現(xiàn)的系外行星，到目前為止，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個熱木星。但是它們沒有固體表面，與地球完全不同。

要想發(fā)現(xiàn)生命，我們需要尋找那些個頭較小的巖質(zhì)行星，就像地球一樣。

宜居帶

與尋找熱木星相比，尋找?guī)r質(zhì)行星要困難得多，主要是因為它們的個頭相對較小。在對這些巖質(zhì)行星的大氣進行分辨時，我們要尋找的就不再是鈉了。

“在一顆行星的大氣層中，我最想看到的東西就是水蒸氣。”西格爾說，“ 在一些類似木星的巨行星上我們看到了水蒸氣，因為在它們的大氣層中含有水蒸氣是很自然的事情。但到目前為止，我們還沒有在一顆巖質(zhì)行星上看到水蒸氣。”

探測到一顆巖質(zhì)行星的水蒸氣，將是該行星上存在液態(tài)水的指示性信號，也就意味著該行星上有生命存在的可能。

“地球上所有的生命都需要水，因此我們相信，宇宙中所有的生命也都需要一種液體。”西格爾說。

創(chuàng)造生命需要液體，這是對分子的化學性質(zhì)進行理論推導得出的結論，因為分子需要液體來進行反應并重組，從而形成其他東西—比如生命形態(tài)的東西。“很簡單，在太陽系外，水是最豐富的液體了。”西格爾說。

對一顆行星來說，要想擁有液態(tài)水，必須滿足一些基本的條件：表面溫度不是太熱也不是太冷。這些都取決于行星與其主恒星之間的距離：既不能太近，也不能太遠。

天文學家將這一最佳位置稱為“宜居帶”（譯者注：宜居帶， 英文也叫作Goldilockszone，直譯為“金發(fā)女孩居住的區(qū)域”）。天文學家取這個名字，是從美國童話《金發(fā)女孩和三只熊的故事》中得到的啟發(fā)。在這個故事中，金發(fā)女孩喜歡她的粥“不是太冷，也不是太熱，而是剛剛好”。

此類行星并不罕見，但是人們在發(fā)現(xiàn)它們的過程中所面臨的挑戰(zhàn)，使它們給人們留下了很罕見的印象。

“在與太陽相似的恒星中，多達1/ 5都可能擁有一顆存在液態(tài)水的行星。而且即使是由于事情的快速變化表明這個數(shù)字可能是錯誤的，但是我們起碼很確切地知道，小的巖質(zhì)行星并不罕見。”西格爾說，“僅僅在我們的銀河系中，就可能存在多達數(shù)十億顆類地行星。”

浩渺星系中的最佳行星

在迄今發(fā)現(xiàn)的6000多顆疑似行星中，大約有2000顆已經(jīng)得到確認，是實實在在的行星。但是其中只有大約3 0顆被認為是潛在宜居的。

2014年，美國航空航天局第一次發(fā)現(xiàn)了在其主恒星宜居帶運行的、地球大小的行星。這顆行星被命名為開普勒-186f，距離我們大約500光年，位于天鵝座內(nèi)。

它的發(fā)現(xiàn)被美國航空航天局描述為“在尋找像地球一樣的行星上，邁出了重要的一步”。開普勒-186f環(huán)繞著一顆常見的、被稱為紅矮星的恒星運行，該恒星的大小約為太陽的1/2。

隨后，2015年，天文學家發(fā)現(xiàn)了第一顆環(huán)繞著類似太陽的恒星運行的類地行星—開普勒-452b。這顆行星被稱為地球的“大表哥”，比地球大60%，并且每385天環(huán)繞其恒星運行一周。

然而，以我們目前的技術，除了能夠知道一顆系外行星的大小以及距離其主恒星有多遠以外，很難再知道更多的東西了。

人類在太空中的新眼睛

但是這一切即將發(fā)生改變。

大多數(shù)系外行星是由開普勒空間望遠鏡發(fā)現(xiàn)的，它們中的大多數(shù)也都是以開普勒的名字命名的。開普勒空間望遠鏡是2009年發(fā)射的，由于一起故障，現(xiàn)在該望遠鏡在距離地球12070萬千米之外，已經(jīng)進入了緊急模式。

要研究地球潛在的雙胞胎星球的大氣層，科學家需要在太空中有新的眼睛。

西格爾參與了美國航空航天局的一個新計劃，將專門巡視我們附近最亮的恒星，以探尋位于這些恒星的宜居帶內(nèi)的小型巖質(zhì)行星。該計劃將在2017年開始執(zhí)行。

該計劃被稱為“TESS”（Transiting Exoplanet Survey Satellite 的英文縮寫，意為凌日系外行星調(diào)查衛(wèi)星），為期2年。它的使命是積累數(shù)據(jù)，為預計在2018年發(fā)射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡提供基礎數(shù)據(jù)。詹姆斯·韋伯空間望遠鏡是哈勃空間望遠鏡的繼任者，西格爾說：“這將是一次驚人的壯舉。”

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡以20世紀60年代美國航空航天局開創(chuàng)時代的領導者詹姆斯·韋伯命名，得益于其使用的主鏡（大約比哈勃空間望遠鏡的主鏡大5倍），它將以前所未有的清晰度窺探宇宙。它還能使用特殊設備阻斷宿主恒星的刺眼光線，從而為系外行星提供直接成像。這將使西格爾和其他天文學家能夠以前所未有的方式研究系外行星。

西格爾相信，在他們搜索的行星中，有很多都是她一直以來尋找的、充滿水的巖質(zhì)行星。

“我有絕對的把握，它們就在那兒。”