太陽系外宜居行星在哪里？

謝懿

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

2015年，一個天文學家團隊利用已有250年歷史的提丟斯—波得定則，預言了宜居行星的數目。結果顯示，有數十億顆恒星在其宜居帶內擁有1顆至3顆行星。盡管這個定則可以通過簡單的計算預測恒星周圍的行星的軌道，但它并非特別準確，即便在太陽系中也是如此。

然而，很多科學家相信，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。

超級地球的藝術概念圖。這類行星有別于太陽系中的任何行星，質量可達地球的十倍左右。

天文學家稱這些行星為類地行星。在目前已知的1211個行星系統中，有482個擁有1顆以上的行星，已知的行星總數為1918顆。得益于不同的空間任務，這些數字正在隨著時間不斷增加。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，還沒有一個能同時滿足所有這三個標準。有著數以千計的行星卻沒有發現一個地球的孿生兄弟，著實令人驚訝。這是否意味著類地行星是極為罕見的？計劃于未來幾年升空的

歐洲局計劃于2017年發射的太陽系外行星探測衛星的概念圖

探測任務能否幫助我們很快找到另一個地球？

早在好幾年前，天文學家就開始思考，距離我們最近的地球孿生兄弟會有多遠。

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

使用這種技術，天文學家發現了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是地球的孿生兄弟，但對它們進行統計分析發現，大約1/5的類太陽恒星可能擁有類地行星。

這相當于，當你抬頭看夜空中的數千顆恒星時，距離我們最近的在其宜居帶內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，天文學家制訂出了地球相似指數（ESI）。它著眼于行星的半徑、密度、逃逸速度和表面溫度，并把它與地球進行比較。每顆行星都可以就此被打分，分數在0～1之間，1表示這顆行星與地球完全一樣。

根據這個指數，與地球最相似的行星是KOI-1686.01。“KOI”表示是開普勒空間望遠鏡發現的潛在目標，是在被證實之前的臨時編號。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水存在。經過綜合評價，其ESI為0.89。在太陽系，火星的ESI只有0.69。不幸的是，后續的觀測都未能再次發現這顆行星。

水世界

為了證實觀測到的確實是一顆行星，必須首先觀測到恒星的亮度下降，然后再通過地面望遠鏡來觀測因該行星的引力導致的恒星運動。

但是，迄今還沒有發現第二個地球。不過，這并不意味著已經發現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。

宜居性的關鍵是這顆行星上要有足夠的熱量來維持液態水的存在，使得生物化學作用得以發生。假如接收到的光能遠少于地球，似乎會使得行星的溫度過低，但大氣層會發揮重要的作用。

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

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

搜尋宜居行星的下一代空間任務也即將出征，其中有兩個將沿用開普勒空間望遠鏡的技術。它們正在大西洋的兩岸加緊研發，都會使用凌星方法來進行探測。更靈敏的探測器使得它們能發現更小的行星。

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

與此同時，美國航空航天局正在籌劃太陽系外凌星行星巡天衛星（TESS）。它也計劃于2017年發射，將使用4臺大視場望遠鏡來觀測天空中的500000顆恒星。據估計，TESS能發現1000顆至10000顆行星。如果有一顆位于小型恒星宜居帶的巖質行星凌星的話，TESS就會發現它。

當然，科學家更關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，因此實現這一目標的第一步是找到盡可能多的宜居行星。天文學家已經有了一些候選目標，CHEOPS和TESS 應該會把這些搜索顯著向前推進。E.T.——我們來了！

延伸閱讀

開普勒空間望遠鏡是專門搜尋銀河系中位于宜居帶內的行星的。它已經發現了幾顆可能擁有生命的候選行星。

開普勒-438b

該行星被證實于2015年1月6日。開普勒-438b被認為是一顆巖質行星，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。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，公轉周期為112天。雖然其宿主恒星的溫度僅比太陽稍低一點，但由于它的軌道較遠，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發現的地球大小的行星。

開普勒-62f

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

開普勒-62e

它是開普勒-62f的姐妹行星，也是一顆超級地球。它位于其宿主恒星宜居帶的內邊緣，因此接收到的光能超過地球。在恒星開普勒-62周圍發現兩顆潛在的宜居行星促使美國國會召開了聽證會，題為“太陽系外行星的發現：我們是否發現了其他的地球”。