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我们能在星际空间找到新“地球”吗？

《环球科学》杂志 2014-11-16 浏览81次

导读：《星际穿越》中出现了三颗适宜人类生存的星球——米勒（Miller）、艾德蒙斯（Edmunds）和曼恩（Mann）。实际上，科学家距离发现这样的星球还有多远呢？近20年前，科学家才首次发现几颗太阳系外行星，这激励了整整一代的年轻科学家投身这个领域，以及一系列后续重大发现：在系外行星的大气中陆续发现了钠、甲烷、二氧化碳、一氧化碳以及水。这些发现还远不足以证明地外生命的存在。然而，新的突破或许已经不再遥远。（本文由《科学美国人》中文版《环球科学》授权转载）

从经验丰富的天体物理学家，到初出茅庐的科学记者，当时在场的每一个人都不会忘记1996年1月的那场新闻发布会。这场发布会是在美国天文学会冬季会议上召开的，美国旧金山州立大学的天文学家杰弗里·W·马西（Geoffrey W. Marcy）在发布会上宣布，他和他的搭档、当时任职于美国加利福尼亚大学伯克利分校的R·保罗·巴特勒（R. Paul Butler），发现了围绕类太阳恒星转动的第2和第3颗行星。而在此的几个月前，瑞士日内瓦大学的米切尔·梅厄（Michel Mayor）和迪迪埃·奎罗兹（Didier Queloz）曾宣布，他们发现了第一颗这样的行星——飞马51b（51 Pegasi b）。不过，刚发现飞马51b时，科学家还认为这也许只是偶然发现，甚至可能是个错误。在发布会上，马西已经可以确信地说，这既非偶然也非错误，他告诉观众，“行星根本就不罕见”。

这一发现震惊了天文学界。以前，由于科学家自认为寻找太阳系外行星过于困难，因此几乎没有人搜寻它们。而现在，仅对几颗恒星进行搜索之后，天文学家就发现了3颗行星，这表明还有数十亿颗行星有待发现。

如果巴特勒和马西仅仅是解决了一个有关行星形成理论的问题，那么他们的发现不会引起那么大的轰动。事实上，他们的发现不仅证明太阳系外行星确实存在，而且这些行星的发现还可能回答一个自古希腊以来就一直困扰着哲学家、科学家乃至神学家的问题：我们在宇宙中是否孤独的存在？

在最初的欢庆之后，科学家决定弄清楚，如何才能查明在那些围绕其他恒星转动的行星上，到底有没有哪怕是最原始的生命形式。由于至今科学家还没有像电影《超时空接触》（Contact）中的朱迪· 福斯特（Jodie Foster）那样，截获外星人发来的讯息，因此要实现这个目标，就只能在太阳系外行星的大气中寻找生命迹象，也就是高活性分子存在的证据。例如氧气，除非有某种可进行新陈代谢的生物体不断补充，否则氧气很快就会消失。

马西、梅厄和同事当年观测到的，仅仅是行星对宿主恒星的引力作用；要探测生命迹象，就必须对行星大气进行直接观测。为此，美国航空航天局计划，发射一系列更为强大的空间望远镜，而这个计划的高潮部分，则是在轨空间望远镜“类地行星搜索者干涉仪”（Terrestrial Planet Finder Interferometer）的发射，它将耗资数十亿美元，预计发射时间为21世纪20年代。总之，天文学家当时认为，对太阳系外行星大气的了解，绝不是一时半会儿就可以做到的。

但他们错了。最初几颗太阳系外行星的发现，激励了整整一代的年轻科学家投身这个领域，让这一领域成为了天体物理学中最热门的研究方向。同时，许多资深天文学家也转向了太阳系外行星的研究。众多优秀科学家的加入，为探测太阳系外行星带来了全新的想法，也使这个领域迅速发展。到2001年，天文学家已在一颗太阳系外行星的大气中发现了钠。此后，又陆续发现了甲烷、二氧化碳、一氧化碳以及水。通过研究太阳系外行星的大气，天文学家甚至还发现有间接的证据表明，一些行星可能部分是由钻石组成的。“到目前为止，如果算上还没有发表的结果，我们已经对30 ～ 50颗行星的大气有一定的了解，”参与了许多开创性观测的、美国加州理工学院的天体物理学家希瑟·克努森（Heather Knutson）说。

但这些发现还远不足以证明地外生命的存在——这并不奇怪，因为克努森谈论的绝大多数行星，都是温度很高的类木行星，它们到各自宿主恒星的距离，比水星到太阳的距离还要近。不过，克努森及其他天文学家已经开始探测更多较小的太阳系外行星的大气。这些行星被称为“超级地球”，质量介于2 ～ 10个地球质量之间——即使在10年前，都没有人想过，会发现这样的天体。2013年4月，开普勒空间望远镜发现了两颗大小不足地球2倍的行星，它们的温度都允许生命存在，这一发现暗示，生命宜居的行星其实大量存在。因此，虽然这两颗行星（被称为开普勒62e和62f）距离过于遥远而无法仔细研究，但天文学家还是相信，用不了多久，他们就能在类地行星的大气中寻找生命迹象。

凌星天体

天文学家曾一度认为，要花几十年的时间才能开始观测太阳系外行星的大气，因为第一批太阳系外行星都是间接发现的——天文学家观测到了它们对宿主恒星的影响。这些行星本身是无法看见的，但由于恒星和行星绕着共同的引力中心运动，行星的引力会使得恒星来回运动。当恒星朝我们运动时，它发出的光会向可见光谱的蓝端发生微小的偏移；当远离我们时，它发出的光则会向红端偏移。偏移的程度可以告诉天文学家这颗恒星的视向速度，即它朝向或者远离地球运动的速度有多快；反过来，这也能告诉我们，太阳系外行星的质量有多大。

然而，寻找太阳系外行星的方法并不止这一种。如果从地球上看，一颗不可见行星的轨道正好是侧向对着我们的，那它就会从宿主恒星的前面直接经过，这一现象被称为凌星。不过，在第一批太阳系外行星被发现前的近20年，几乎没有天体物理学家考虑过凌星现象，原因很简单，当时搜索太阳系外行星本身仍处于研究领域的边缘。

时间来到1999年。当时在美国国家大气研究中心的蒂莫西·W· 布朗（Timothy W. Brown）和当时在哈佛大学读研究生的戴维· 夏博诺（David Charbonneau）在科罗拉多州博尔德市的一个停车场里，架设了一台微型的、天文爱好者级别的望远镜，第一次观测到了太阳系外行星的凌星现象。这颗行星被称为HD 209458b，早先是通过视向速度发现的。几周之后，和马西一起，美国田纳西州立大学的格雷戈里·W· 亨利（Gregory W. Henry）也看到了同一颗行星的凌星现象。由于同时发表了探测结果，因此这两个团队分享了发现权。

成功观测到凌星现象不仅给天文学家提供了寻找太阳系外行星的第2条途径，还赋予了他们测量行星密度的一种手段。视向速度法可以测量HD 209458b的质量。而在凌星现象中，由于恒星光线被遮挡的多少正比于行星的大小，因此天文学家就能知道行星的物理体积。［用质量除以体积显示，虽然HD 209458b的质量只有木星的71%，但它的密度却要比木星大38%。美国普林斯顿大学的天体物理学家亚当· 巴罗斯（Adam Burrows）把这一意料之外的结果称为“一个有待解释的问题”。］到这个时候，一大批天体物理学家意识到，利用凌星现象，也许可以研究太阳系外行星的大气，克努森把这种方法称为“非常聪明的办法”。但事实上，在科学家首次观测到凌星现象之前，美国麻省理工学院的天体物理学家、当时与夏博诺一起在哈佛大学读研究生的莎拉· 希格（Sara Seager）就与导师迪米塔尔·D· 萨塞洛夫（Dimitar D. Sasselov）联名发表了一篇论文，预言了当一颗行星正面经过宿主恒星，恒星光线穿过行星大气时，一个观测者会看到什么样的情形。物理学家早已知晓，不同的原子和分子会吸收不同波长的光（这个波长就是某种分子的特征波长）。如果你要搜寻某种分子，就可以用它的特征波长来观测行星。由于只要含有这种分子的任何大气，都会吸收这个波长的光线，因此行星大气会变得不透明，使得行星看上去更大。

希格和萨塞洛夫提出，钠特别易于探测。“钠就像臭鼬的臭味，”夏博诺说，“只要有一点，你就能发现它。”他比任何人都清楚这一点：2001年，夏博诺、布朗及其同事再次观测了凌星行星HD 209458b，这次他们用的不再是爱好者用的小型望远镜，而是哈勃望远镜。正如预言的那样，他们很轻易地就探测到了钠的信号。

次食现象

天文学家们意识到，还存在一种补充性的办法来探测凌星行星的大气。当一颗行星从宿主恒星前方经过时，观测者看到的是它处于夜晚的一侧。在其他时候，它所呈现出的则至少是部分的向阳侧。而在它即将要转动到恒星后方时，其向阳侧则会朝向地球。尽管这颗宿主恒星要比它亮得多，但行星自身也会发光（行星在高温下会发出辐射，主要是红外辐射），且绝大部分集中在红外波段。

然而，当行星运动到恒星后面时，它所发出的光会突然消失；它对该系统总辐射的贡献也会终止。如果天体物理学家做一个前后比较的话，他们就能推测出这颗行星本身会是什么样子。“这种方法从根本上改变了我们面对的问题，”克努森说，“现在，我们要做的不是在一个非常明亮的东西附近，去探测一个极为暗弱的东西，而只是监测信号随时间的变化情况。”早在2001年，当时在美国航空航天局戈达德航天中心的L · 德雷克· 戴明（L Drake Deming）就把夏威夷莫纳克亚山上的红外望远镜对准了HD 209458b，旨在目睹这一所谓的次食（secondary eclipse），但他说并没有观测到这一现象。

不过，和夏博诺一样，戴明也知道，计划于2003年发射的斯皮策空间望远镜几乎可以肯定能看到次食。这两位彼此互不相识的天体物理学家为此都申请了“斯皮策”的观测时间。他们都获得了一定的观测时间，并取得了数据。戴明回忆说，在那之后，大概在2005年初的一天，他收到了语音留言：“德雷克，我是哈佛大学的戴维· 夏博诺。我听说你最近做了一些有意思的观测。也许我们该聊一聊。”

结果，戴明（与希格合作）和夏博诺使用同一架望远镜，几乎同时第一次观测到了次食。两个团队同时公布了他们对两颗不同恒星的观测结果——戴明团队的观测是已被广泛研究的HD 209458b，夏博诺团队观测的则是TrES-1。一年后，戴明的团队还观测到了太阳系外行星HD 189733b的次食。“这开启了用‘斯皮策’来观测次食的浪潮……”希格和戴明在2010年的一篇综述论文中写道，“准确地说，没有人预料到，作为探测太阳系外行星大气的工具，‘斯皮策’有这么强的能力和如此惊人的影响力。”实际上，希格说：“我们现在使用‘哈勃’和‘斯皮策’的方式，以及它们的观测精度，是当初建造这两台望远镜时所没有的想到的。”

行星的大气层

希格说，这些研究向我们证明了一些东西。“在某种程度上，这听起来平淡无奇，但我们发现类木行星的温度确实很高。我们测量了这些行星的亮度和温度”，而科学家观测到的结果与他们预期的、恒星对行星加热的效果是相符的。希格说，“我们还探测到了一些分子。那么，现在我们所发现的是否与我们所预期的大相径庭呢？肯定不是这样”。现在，物理学家可以在一定温度下，利用一些元素，直接构建气体球模型，然后分析最终会形成哪些分子。“物理和化学规律是普适的，”希格说。

然而，西格和其他天体物理学家也知道，尽管太阳系外行星的大气总体上相近，但每一颗行星在很多方面都有所不同。其中一点便是，温度是如何随着高度变化的。一些行星，例如太阳系中的木星和土星，温度具有逆增性，即随着距地面高度的增加温度不降反升。另一些行星则不存在这一现象。“问题是，”克努森说，“我们并不知道是什么原因造成了温度逆增现象，因此我们也无法预言，哪些太阳系外行星会或者不会具有这样的特征。”一些天体物理学家认为，具有逆温性的太阳系外行星可能含有一些吸热的分子，例如氧化钛，但到目前为止这还仅仅是一个假说。

科学家面临的另一个问题是，某些行星的大气组成是否和其他行星有所不同。现任职于美国耶鲁大学的尼库· 麦杜苏德汉（Nikku Madhusudhan）分析了太阳系外行星WASP-12b的可见光和红外信号，推测出这个行星的大气的含碳量异常高，与氧元素相当。

从理论上推测，如果在同一行星系统中，其他更小的行星上的碳氧比超过0.8的话（考虑到行星都形成于同一个气体和尘埃盘中，这是很有可能的），那么这些行星就会形成由碳化物——富含碳的矿物——构成的“岩石”，而不是我们太阳系中富含硅的硅酸盐岩石。如果这一现象确实存在，那么WASP-12系统中一颗地球大小的行星也许就会由钻石构成。

希格和其他人所撰写的论文提出，目前无法排除一些行星主要是由碳甚至是铁所构成的可能。然而，对于WASP-12而言，事情或许并非如此。克努森说，德国马普天文研究所的伊恩· 克罗斯菲尔德（Ian Crossfield）最近发现，来自WASP-12的光线中，还混杂有一个更为暗弱的双星系统的光线，这对于解释WASP-12系统中行星的组成，留下了一些疑问。

水世界？

到目前为止，天文观测都集中在太阳系外行星GJ 1214b上，这颗行星围绕着一颗红色的M型矮星转动，距离地球约40光年。如此近的距离使得GJ 1214b相对易于研究，而且它的直径仅为地球的2.7倍，比起最先发现的太阳系外热类木星，也更加接近地球。“它是每个人都钟爱的‘超级地球’，”美国芝加哥大学的研究生劳拉· 克莱德伯格（Laura Kreidberg）说，他目前正在分析一个观测项目所获得的数据。

GJ 1214b于2009年由“M地球”计划发现，该计划由夏博诺牵头，旨在搜寻M型矮星周围的行星。夏博诺的想法是，比起更大的恒星而言，在这些相对较小，而且比较暗弱的恒星周围寻找较小的凌星行星会更加容易。首先，对于这样的恒星，地球大小的行星能遮挡更多的恒星星光，也会对恒星施加更大的引力，让科学家更容易测定行星的质量，进而确定行星的密度。其次，由于恒星较小，温度较低，其宜居带会比高温的类太阳恒星更靠近自身，使得凌星现象会更可能被观测到（因为行星轨道与恒星较近的话，不需要严格地侧向面对观测者，也能产生凌星现象）。最后，银河系中M型矮星的数量要远远大于类太阳恒星——大约有250颗M型矮星与地球的距离在30光年之内，而在这一距离内，后者仅有20颗。

GJ 1214b还称不上是第二个地球：它的直径是地球的2.7倍，质量是地球的6.5倍，这使得它的平均密度介于地球和海王星之间。不过，如夏博诺和其他人在发现GJ 1214b后不久便意识到的，这一密度可以有多种不同的解释。例如，这颗行星可以是由一个较小的岩质核心，外加一个巨大的绝大部分是氢的大气层所构成；它也可以有一个较大核心，核心外周是较深的液态海洋，再外加一层富含水分的稀薄大气。仅仅根据密度，科学家无法判别哪种可能性最大——尽管拥有海洋的可能性会更令人兴奋，因为液态水是我们所知的生命存在的必要条件（但并不是充分条件）。

然而，当芝加哥大学的天文学家雅各布· 比恩（Jacob Bean）在不同波长上观测GJ 1214b，希望能看到这颗行星的大小变化（表征其大气的厚度）时，他没看到任何变化。这意味着两种可能性：要么这颗行星可能具有一个巨大的氢大气层，但其中充满着的云和霾使之难以探测；要么它有一个薄而多水的大气层，无法被地面上的望远镜观测到。2012年开始和比恩合作的克莱德伯格说，这类似于从远处看山脉。“那里也许有许多山峰，”她解释说，“但如果你距离太远的话，山脉看起来就会像一条平整的线。”

为了解决这个问题，比恩及其同事申请到了哈勃空间望远镜60个轨道的观测时间（也就是围绕地球运转60周的时间），他们的观测已经开始。这并非天文学家第一次用“哈勃”来观测GJ 1214b，却是迄今最深入的观测计划。比恩的这次观测，会使用2009年5月“哈勃”升级维修时新安装的大视场照相机3（Wide Field Camera 3）来进行观测。运气好的话，这一观测将最终会弄清楚，GJ 1214b是否一个水世界。

终极目标

由于对太阳系外行星的搜寻已经持续了一定的时间，天文学家已开始寻找那些有着较长轨道周期的行星。这些行星远离它们的宿主恒星，因此会比早先发现的类木星的温度低。“长久以来，我们都一直局限在温度为1 500K、2 000K的行星，它们的温度实在太高了，”美国加州理工学院的克努森说。在这些行星上，“大气中的绝大多数碳会和氧结合，形成一氧化碳，”她说，“真正有意思的事情出现在当温度降低到1000K以下时，碳和氧会形成甲烷。”

尽管存在着不确定性（因为纯粹的地质活动也能产生甲烷），但作为生物活动的信号，甲烷尤其吸引人。氧，尤其是臭氧——由三个氧原子组成的高活性分子，更可能是生命存在的信号。但由于臭氧的光谱信号很微妙，特别在相对较小的类地行星大气中更是如此，因此臭氧也极难探测。

不过，对于温度适中的超级地球，天文学家则在密切关注这些行星上的各种活动迹象。“所有这一切仅仅是一个练习，”希格说，“我的意思是，研究超级地球确实很有意思，但对于像我这样的人来说，这类行星只不过是一块垫脚石，我们最终的研究对象，将会是真正的‘地球’大气层。”

不过，在詹姆斯· 韦布空间望远镜以及新一代巨型地面望远镜（包括巨麦哲伦望远镜和三十米望远镜）投入使用前，可能还没法找到其他“地球”。即便有了这些强大的设备，希格说，也要花费成千上万个观测小时，才可能找到其他“地球”。就算到那个时候也未必会清楚，到底能否探测到生命迹象。为此，天文学家可能仍然需要“类地行星搜索者”，但这个项目的经费已被大幅削减，确切的发射时间目前还不好说。

不过，迄今所取得的结果显然已经超出了任何人在20世纪90年代的预期，希格甚至已经可以谈论找到生命迹象的真实前景。我们所希望的，已不仅仅是外星文明会发现我们，向我们发送信号，我们已经在主动探索遥远行星上的大气，搜寻以那里为家的生命的迹象。