尋找美麗新世界

馬磊

1897 年，法國畫家保羅·高更失去了自己的女兒，貧病之中的他認(rèn)為自己的人生也即將走到盡頭，于是畫了著名的《我們從何處來？我們是誰？我們向何處去？》來對自己的人生進(jìn)行總結(jié)。

從整個人類文明的角度來思考高更的三句生命之問，或許可以解釋為：生命火種真的來自地球嗎？我們是宇宙間孤獨的存在嗎？茫茫宇宙中還有沒有我們可以居住的星球？

人類對行星的了解，曾經(jīng)一度被限制在太陽系內(nèi)。我們可以精確地計算太陽系內(nèi)各個行星的軌道，可以用鉛筆發(fā)現(xiàn)海王星。但是我們對太陽系內(nèi)行星了解得越多，有一個問題就會越來越重要：行星，真的只在我們的太陽系中才有嗎？早在18世紀(jì)的時候，人們就已經(jīng)嘗試過尋找太陽系外的行星了。只不過由于當(dāng)時技術(shù)所限，找到系外行星就成了遙不可及的夢想。在此后的200多年里，這個夢想一直都是人類難以碰觸的。

當(dāng)時間來到1988年，尋找行星的夢想第一次變得觸手可及。這一年，布魯斯·坎貝爾和他的合作者在其發(fā)表的文章中提到，他們發(fā)現(xiàn)一顆恒星受到了一些擾動，并含蓄地指出這個擾動可能是由于圍繞恒星轉(zhuǎn)動的行星造成的。雖然直到 2003 年其他的研究組才確認(rèn)了這個擾動確實是一顆行星造成的，但是我們可以說，第一顆系外行星在 1988年就已經(jīng)被探測到了。1995 年，人們確認(rèn)了第一顆圍繞主序星（例如太陽就是主序星）運動的系外行星，名為“飛馬座51b”。第一顆行星竟然起名字叫作b，天文學(xué)家果然也是喜歡給自己留有余地。在系外行星的命名系統(tǒng)中，總是從 b 開始的。這跟電腦硬盤總是從 C 盤開始有異曲同工之妙。

好事多磨，這之后的十幾年間，并沒有很多令人激動的關(guān)于系外行星的消息。然而，此后隨著各類技術(shù)的進(jìn)步，尤其是“開普勒”衛(wèi)星的發(fā)射，系外行星的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)不再稀有。截至 2017 年3月，被確認(rèn)的系外行星已達(dá)到3000多顆，并且有500多個多行星系統(tǒng)。人們對系外行星的關(guān)注度也越來越高。2017 年2月，美國國家航空航天局（NASA） 的新聞發(fā)布會提到了位于寶瓶座內(nèi)的TRAPPIST-1 恒星竟然有 7 顆類地行星，其中有 3 顆距離其宿主恒星不遠(yuǎn)不近。也就是說，如果這3顆行星上有水的話，是可以以液體形態(tài)存在的。科學(xué)家們推測，這3顆行星是可能孕育類似地球生命的地方。

隨著越來越多的系外行星被發(fā)現(xiàn)，有些原來看起來很遙遠(yuǎn)的科幻小說中的情節(jié)，也突然變得親切起來。畢竟，人類未來第一個星際飛行的目的地，很可能就隱藏在現(xiàn)有的系外行星列表中。面對玄學(xué)一般的生命起源問題和宇宙中其他文明是否存在的問題，我們也似乎不再深感迷茫，而是漸漸感受到來自太空深處的一絲曙光。

系外行星的探測歷程

行星，每個人都很熟悉，我們腳下的地球，就是一顆巖石行星。抬頭仰望星空，有時候也會看到土星、木星這些比地球大很多的氣態(tài)巨行星。然而，這些行星都處于太陽系內(nèi)，距離太陽最近的恒星是半人馬座Alpha，光也要穿梭 4.37 年才能到達(dá)這么遠(yuǎn)的地方，如果是飛機的話，要500萬年才能到達(dá)。實際上，大多數(shù)恒星距離太陽要比這遠(yuǎn)得多。當(dāng)我們以肉眼觀察星空的時候，是沒有可能直接看到這樣遙遠(yuǎn)的太陽系以外的行星的。

那么使用望遠(yuǎn)鏡呢？現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡的種類其實非常多，有些望遠(yuǎn)鏡的外觀甚至可能完全超乎大家的想象。不過我們提到“望遠(yuǎn)鏡”這個詞的時候，主要是指那種巨大的帶著透鏡或者反射鏡的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。科學(xué)家使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡探測系外行星的夢想，正如開篇所說，持續(xù)了接近200年。而現(xiàn)在，直接通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看到系外行星的影像，早已實現(xiàn)。例如，圖1就是位于飛馬座中的3顆行星的影像。

然而，通過這樣的直接影像尋找系外行星并不容易。我們可以想象一下，當(dāng)晚上開車的時候，往往難以看清對面開遠(yuǎn)光燈的車輛上的司機，這是因為車燈太過耀眼。類似的，看清楚緊緊挨著恒星的行星也非常困難，因為系外行星的亮度往往是其宿主恒星的十億分之一，而且距離宿主恒星又相對比較近。不過，科學(xué)家通過使用儀器遮住其宿主恒星等方法，現(xiàn)在的望遠(yuǎn)鏡還是可以看到行星的。比如，“新世界任務(wù)”就是一個通過對恒星遮擋進(jìn)行系外行星研究的項目。

雖然直接看到系外行星的影像非常困難，天文學(xué)家還是有各種各樣的方法來探測系外行星。這些方法主要基于兩種原理：第一種是當(dāng)行星運行到其宿主恒星和我們地球之間的時候，恒星的光線會被行星遮擋，從遙遠(yuǎn)的地球看來，恒星像是突然變暗了，這種方法叫作掩星法;第二種是因為行星的存在，導(dǎo)致恒星在天空中的位置有些很小的擾動，從而導(dǎo)致我們觀測到的恒星的光譜出現(xiàn)一些變化，這種方法叫作徑向速度法。

目前找到系外行星最多的“開普勒”衛(wèi)星，所利用的就是第一種方法，也就是掩星法。雖然原理聽起來很簡單，但是實際上操作起來非常困難，因為一顆地球大小的行星對恒星遮擋的時候，可能只產(chǎn)生萬分之一的亮度降低。另外，如果行星圍繞恒星轉(zhuǎn)動的平面垂直于我們的視線，那么行星運行過程中并不會對恒星進(jìn)行遮擋，這種方法也是無效的。掩星法的另一個缺點是，如果行星圍繞恒星的公轉(zhuǎn)周期很長，可能我們對恒星觀測了很久，卻沒有等到行星恰巧對恒星進(jìn)行遮擋的時候，也就無從談及恒星亮度的變化了。

第二種方法，徑向速度法，也并非完美。所謂行星圍繞恒星轉(zhuǎn)動，其實是恒星和行星圍繞它們共同的質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動，只是因為恒星質(zhì)量比行星大很多，兩者的質(zhì)量中心基本上靠近恒星的中心，所以恒星位置變化不明顯。這就好比每次氣急敗壞想要把對方扔出去的時候，總會發(fā)現(xiàn)自己也會被甩開，如果對方體重比較大，那基本上就會變成自己被甩出去了。但是如果我們仔細(xì)地觀測恒星的光譜，恒星這種微小的前后擺動，會在光譜上展現(xiàn)出來。光譜發(fā)生變化的原因是由于多普勒效應(yīng)。根據(jù)我們的日常生活經(jīng)驗，當(dāng)開著警笛的車輛朝我們開過來的時候，音調(diào)往往會高一些，而當(dāng)這輛車離我們遠(yuǎn)去的時候，音調(diào)往往會低一些。如果我們能夠知道車輛停在我們身邊的時候音調(diào)的樣子，那么原則上我們就可以通過聽警笛的聲音來判斷車輛到底是離我們越來越近還是越來越遠(yuǎn)，甚至還可以判斷車輛的速度。類似的，恒星往前或者往后擺動的時候，它發(fā)出的光也會往更高頻率或者更低頻移動。我們可以根據(jù)這種移動來判斷是否有系外行星。

當(dāng)然，實際上用來探測系外行星的方法并不僅僅局限于上面提到的直接影像、掩星法和徑向速度法，還有諸如觀測行星的引力場帶來的光線的變化等方法。

行星與生命

在已經(jīng)確認(rèn)的幾千顆系外行星中，最顯著的特色就是系外行星多種多樣。不管是體積大小，還是公轉(zhuǎn)周期、行星密度，都是多種多樣的。這些多樣性也促使我們思考這樣一個問題：我們的太陽系真的是獨一無二的嗎？

實際上，太陽系并非獨一無二。在系外行星中，有不少是多行星的恒星系，也有很多巖石行星。在文章開始也提到了最近發(fā)現(xiàn)的 TRAPPIST-1， 這顆恒星擁有7顆巖石行星，甚至有3顆是處在溫度很溫和的軌道上。

所有這些發(fā)現(xiàn)，實際上使得“費米悖論”變得更加重要：我們發(fā)現(xiàn)了這么多行星，可是為什么我們還沒有遇到外星人呢？他們都到哪里去了？

1950年，著名物理學(xué)家費米聽到有朋友提到外星文明的事情，他覺得很奇怪，就問了這樣一個問題：“那他們在哪里呢？”費米問出這個問題的時候，我們并沒有觀測到太陽系之外的行星，在那樣一個年代，這樣的問題似乎只是一個趣味思辨題目。現(xiàn)在，我們已經(jīng)確認(rèn)了幾千顆系外行星，而且這個數(shù)字還在繼續(xù)增長。時至今日，費米的這個問題越來越重要——如果有那么多的系外行星，有些可能成為生命的棲居地，甚至出現(xiàn)高等文明，我們?yōu)槭裁催€沒有與這些文明相遇呢？

或許在思考地球以外的高等文明以前，我們應(yīng)該退一步思考一個更加基本的問題：我們發(fā)現(xiàn)的這些系外行星上可能有生命嗎？

我們并不能夠列舉出所有可能的生命形式，但是我們知道生命有一種已經(jīng)成功的形式，那就是地球生命。如果系外行星具備多樣性的話，很有可能生命也是多樣的，更不用說文明了。所以天體生物學(xué)的努力方向也是多樣的，當(dāng)然科學(xué)家考慮最多的還是類地生命和類地文明這樣的范式。

現(xiàn)在用于評判一個行星是否（對類地生命）宜居，有很多不同的標(biāo)準(zhǔn)，而且新的標(biāo)準(zhǔn)也在不停地被提出。這些標(biāo)準(zhǔn)主要涉及內(nèi)容包括：是否是像地球這樣的巖石行星;環(huán)境溫度是否可以存在液態(tài)水;是否擁有大氣層;是否適合（類似地球上的）植被生長等。即便按照這些標(biāo)準(zhǔn)，有些系外行星跟地球也是很相似的。

觀測行星的大氣層，對于判斷一個行星是否宜居至關(guān)重要。行星大氣的觀測可以提供給我們非常豐富的信息。通過觀測它的光譜，我們可以了解行星大氣的密度、成分，是否存在云層、霧氣或者海洋，甚至是否有類地文明。

在當(dāng)今的天體物理學(xué)雜志上，與行星大氣相關(guān)的論文數(shù)量非常多，說明這是一個非常熱門的研究課題。這些科學(xué)研究主要的手段還是使用行星的光譜。例如，系外行星運行到其宿主恒星前面，這顆恒星的光會透過行星邊緣的大氣層被我們看到，由于不同的物質(zhì)分子會吸收不同波長的光，我們觀測到的恒星光譜就會因為這些吸收而不同。通過觀測哪些波長被吸收以及被吸收的程度，就可以推斷大氣中含有哪些分子及其含量，從而斷定其成分。預(yù)計于 2018 年發(fā)射升空的“詹姆斯·韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡的一個任務(wù)，就是要對更多的系外行星進(jìn)行更加精確的光譜分析。

在行星大氣觀測過程中，最讓人感到興奮的是，由于有些特定的分子是很難在行星演化的過程中自行產(chǎn)生的，而在人類文明的工業(yè)活動中很容易產(chǎn)生，所以通過追蹤系外行星大氣中這樣的分子，我們就可以推測這顆系外行星是否有可能存在類似人類的工業(yè)文明。雖然這可能是在眾多可能的文明類型中一個非常小的一個分支，但是這至少為我們提供了一個機會。

林、阿巴德和勒布三位研究者曾撰寫論文討論使用“詹姆斯·韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡來追蹤這類分子的可行性。他們選取的分子是四氟化碳和一氟三氯甲烷這類工業(yè)污染物質(zhì)，因為這些分子比較容易從光譜中被分辨出來。當(dāng)行星運行到恒星前的時候，我們可以首先查看是否有水蒸氣、氧氣和二氧化碳等傳統(tǒng)的類地生物所需要的物質(zhì);然后我們可以檢測是否有大量的甲烷和氮的氧化物，這可能是外星文明大量使用化石燃料的第一個跡象;在之后可以查看是否有氣體的工業(yè)污染的跡象，例如四氟化碳和一氟三氯甲烷此類。通過這樣的逐步篩查，我們就可以初步估計某些系外行星是否有使用化石燃料的高等文明存在。當(dāng)我們有足夠的數(shù)據(jù)的時候，就可以分析這些具有生命的行星在宇宙中的分布，從而分析宇宙中生命的起源。

隱藏地球

著名理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金曾經(jīng)提出警告，如果發(fā)現(xiàn)外星文明，不要與其聯(lián)系，因為可能存在未知的風(fēng)險。然而，通過上面的這些分析我們會發(fā)現(xiàn)，在茫茫宇宙之中，一顆貌似孤獨的行星其實無時無刻不在釋放大量的信息。因此，我們自然會思考：如何保護(hù)地球不被其他的高等文明探測到呢？雖然地球的信息可能是通過某些人類科技尚未能夠企及的方式被外星文明探測到的，但是作為保護(hù)自己的第一步，我們要考慮，如何才能使地球免于被上文提到的方法探測到。

來自哥倫比亞大學(xué)的研究者基平和緹奇在一篇論文中討論了使用激光來保護(hù)地球的方法。如果在遙遠(yuǎn)的地方，有一個高等文明正在使用掩星法來掃描星空、尋找系外行星，這時候我們只需要在每次地球運行到太陽和這個文明之間的時候，朝這個文明的方向發(fā)射適當(dāng)強度和某些波長的光，就可以補償?shù)厍驅(qū)μ柟獾恼趽酰@樣對方就不會探測到地球的存在了。論文作者估算，如果使用激光的話，這類裝置的耗電量只需要一個小型核電站就足夠了，從長遠(yuǎn)來看，這樣的裝置顯然是可行的。同樣的方法還可以掩蓋地球大氣光譜中的一些分子的信息，通過向?qū)Ψ桨l(fā)射某些特定波長的激光，就可以補償?shù)厍虼髿庵心承┓肿訉μ囟úㄩL的光的吸收。

同時，這也從另一個方面提醒我們，如果人類在對系外行星進(jìn)行觀測的時候，發(fā)現(xiàn)了一些并不是十分自洽的情形，那么就需要考慮是否是對方在嘗試使用一些方法來屏蔽我們的探測了。

一個新的時代

整個人類正處在一個巨大的歷史事件發(fā)生的前夕。系外行星帶給我們的不僅僅是宇宙中的幾顆行星，也不是新聞中的幾幅人類對系外行星的藝術(shù)想象圖，這更是一個促使我們思考的契機：我們腳下的行星在這茫茫宇宙中到底處于什么樣的位置？地球生命有著什么樣的過去？人類文明的未來又該走向何方？

如果有一天，我們探測到了系外行星上的文明，我們知道他們的存在，卻沒有足夠的能力透過遙遠(yuǎn)的星際空間告訴他們;或許他們也已經(jīng)知道了我們的存在，卻同樣無法與我們傳遞信息。兩個文明，中間隔著無法跨越的時空，就這樣孤獨地各自生活嗎？

這些問題的答案，也許都會在不久的將來一一揭曉。

【責(zé)任編輯】張小萌