外星地球，你在何方

美國宇航局網(wǎng)站今年4月18日宣布，借助開普勒空間望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了一顆地球大小，且位于母恒星宜居帶中的行星——開普勒-186f。母恒星開普勒-186位于天鵝座，距地球約500光年，這是一顆紅矮星，質(zhì)量約為太陽之半。

也許是地球人自覺太過孤單，渴望找到外星伙伴。要想科學(xué)地尋覓外星人，而不是寄托于虛無的科幻大片，必須先找到能使外星智慧生物得以誕生、進(jìn)化和繁衍的棲居地——外星地球。

近期的一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)

今年4月18日，美國宇航局網(wǎng)站宣布發(fā)現(xiàn)了一顆地球大小，且位于母恒星宜居帶中的行星——開普勒-186f。母恒星開普勒-186位于天鵝座，距地球約500光年，這是一顆紅矮星，質(zhì)量約為太陽之半。開普勒-186f 繞母恒星的公轉(zhuǎn)周期為130地球日，位于母恒星宜居帶范圍的外側(cè)邊緣，接收到的熱量約是地球從太陽接收到的相應(yīng)值之1/3。在開普勒-186f正午時(shí)分，天空中“太陽”的亮度僅約相當(dāng)于地球上日落時(shí)分的感受。開普勒-186 是一個多行星系統(tǒng)，另外4顆行星的公轉(zhuǎn)周期分別為4、7、13和22天，大小都在地球的1.5倍以下。由于這幾顆行星過于靠近母恒星，地表溫度太高，生命無法在煉獄式的環(huán)境下存活。

開普勒-186f 的發(fā)現(xiàn)引發(fā)公眾的廣為關(guān)注和媒體的爭相報(bào)道，甚至被稱為地球的“堂兄弟”，這無疑與“外星人”話題有關(guān)。多少年來，地球人一直期望能找到自己的外星同類，科學(xué)家們?yōu)橹冻隽藰O大的辛勞。在沒有確認(rèn)發(fā)現(xiàn)外星人之前，人們的想象力有很大的翱翔空間，而引人入勝的科幻小說和科幻電影便應(yīng)運(yùn)而生。然而，宇宙中到底有沒有外星人？這是一個嚴(yán)肅而又需深入探究的科學(xué)問題，首先要找到外星地球。

那么，開普勒-186f稱得上是一顆“外星地球”嗎？這可是一個挺復(fù)雜的問題，我們也許先得從行星的一些基本屬性談起。

行星和恒星是兩類性質(zhì)完全不同的天體。恒星能自行發(fā)光、發(fā)熱，質(zhì)量大多在0.1?10倍太陽質(zhì)量之間，它們的半徑、光度和表面溫度相差很大。

行星質(zhì)量比恒星小得多，它們只能靠反射恒星星光而發(fā)光。在太陽系內(nèi)，行星可分為類地行星（水星、金星、地球、火星）和類木行星（木星、土星、天王星、海王星）兩大類：前者質(zhì)量和體積較小，密度較大，有固體外殼，屬巖質(zhì)行星，距太陽比較近；后者質(zhì)量和體積較大，密度較小，無固體外殼，為氣態(tài)行星，離太陽較遠(yuǎn)。除太陽系外，其他恒星的周圍也可能有行星，它們統(tǒng)稱為外星行星。

外星地球需滿足的條件

要能生成達(dá)到現(xiàn)代地球人水平的外星高等生命，需滿足以下一系列不可或缺的條件：

1. 生命不可能出現(xiàn)在表面溫度高達(dá)幾千攝氏度（甚至更高）的恒星上，但生命的存在又離不開汲取外界提供的能量（光和熱）。可見，生命只能出現(xiàn)在恒星周圍的行星上。而且，行星必須是類似地球那樣的巖質(zhì)行星，不能是木星般的氣態(tài)行星。另外，脫離恒星、處于“游蕩”態(tài)的行星也是不行的。

2. 行星及其母恒星必需長期保持穩(wěn)定。地球從形成起，到進(jìn)化出高級智慧生物至少需40億年時(shí)間；其中誕生現(xiàn)代地球人，特別是具備高科技能力的階段，只占這一過程中最后非常短暫的一段時(shí)間。因此，行星及其母恒星必須在40億?50億年時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定態(tài)。

3. 行星必須位于母恒星的所謂“宜居帶”（又稱“生態(tài)圈”）之內(nèi)——既不能靠恒星太近，又不能離恒星太遠(yuǎn)，以保證行星上有適宜的溫度使生命得以誕生和繁衍。這個問題涉及多方面因素，宜居帶的范圍很窄，且隨恒星而異。宜居帶只是根據(jù)母恒星的大小和溫度，從理論上推算出的一個到母恒星的距離范圍，位于這個范圍內(nèi)的行星可能具有適合生物生長、繁衍的溫度。決定行星表面溫度的另一個重要因素是行星大氣成分。如金星大氣中CO2占97%以上，溫室效應(yīng)使表面溫度高達(dá)400多攝氏度，任何生物都無法生存。可見，宜居帶內(nèi)未必“宜居”。

4. 安全的星際環(huán)境。銀河系也有宜居帶，在恒星密集區(qū)，超新星爆發(fā)相對頻繁，而爆發(fā)所產(chǎn)生的高強(qiáng)度伽瑪射線會殺死大范圍內(nèi)已有一切可能存在的生命形態(tài)。地球人是幸運(yùn)的，地球所處的星際環(huán)境在過去幾十億年時(shí)間內(nèi)顯然是安全的。

5. 行星上應(yīng)該有構(gòu)成有機(jī)生命體所必需的各類化學(xué)元素，如碳、氮、氧、氫、硫、磷等。很難想象在一顆由純鐵構(gòu)成的行星上，能發(fā)展出任何形態(tài)的有機(jī)生物，哪怕是細(xì)菌之類的微生物。

6. 行星周圍要能長期保持有一定厚度、密度和成分的大氣層，而這并不僅限于滿足生物的呼吸需要。例如，地球大氣的臭氧層可有效阻止太陽風(fēng)（太陽發(fā)出的高能粒子）對地面生物的殺傷作用。

7. 行星表面應(yīng)該長期保持有足夠多的液態(tài)水，因?yàn)橐磺猩锏纳骐x不開液態(tài)水——水以固態(tài)或氣態(tài)形式存在無法使生物得以生成和進(jìn)化。另一方面，液態(tài)水如只是存在于地面下深處，恐怕也難以生成高等生物。

8. 行星周圍要有合適強(qiáng)度的磁場存在，以能有效阻止高能宇宙線對有機(jī)分子的破壞作用。例如，火星的磁場強(qiáng)度約為0.6×10-3高斯，只及地球場強(qiáng)的千分之一，不足以構(gòu)成生命屏障。

也許還有其他條件。如有人認(rèn)為木星對地球生物的繁衍殊為重要：由于木星的存在，使地球在演化早期不致遭受太陽系小天體（小行星和彗星）的頻繁轟擊而生靈涂炭。

以上關(guān)于諸項(xiàng)條件的討論，都以能生成地球上的生物形態(tài)為出發(fā)點(diǎn)。地球上的生命形態(tài)具有普適性嗎？對此人們一無所知。我們只有地球生物（包括地球人）唯一的一種樣本，也只能在這樣的基礎(chǔ)上來進(jìn)行討論。

就目前所知，開普勒-186f也許只能滿足以上前四項(xiàng)條件，它是一顆位于母恒星開普勒-186宜居帶內(nèi)的巖質(zhì)外星行星，但尚無法確知它能滿足其他諸項(xiàng)條件而稱得上是我們心目中的外星地球。

尋找外星行星的方法

行星亮度極為微弱，通常只及母恒星亮度的幾十億分之一，直接觀測到恒星周圍的行星相當(dāng)困難。1980年代起天文學(xué)家開始通過一些間接方法來探測行星，并取得很大成功。在這些方法中，主要是視向速度法和行星凌星法。

（1）視向速度法。如恒星周圍有一顆不可見行星，因行星的引力作用，恒星會周期性地接近和遠(yuǎn)離地球，它的視向速度（空間運(yùn)動速度在觀測者視線方向上的分量）觀測中便呈現(xiàn)出多普勒效應(yīng)：觀測到的視向速度會時(shí)而增大，時(shí)而減小，變化周期就是行星繞母恒星的公轉(zhuǎn)周期。要是有不止一顆行星，視向速度變化就比較復(fù)雜，但仍有規(guī)律可循，并能從中推算出每顆行星的具體特征，如質(zhì)量、公轉(zhuǎn)周期等。

（2）行星凌星法。公轉(zhuǎn)軌道面與視線方向很接近的外星行星，有可能從母恒星前方通過，猶如太陽系中的金星凌日，稱為行星凌星。凌星期間恒星亮度會呈現(xiàn)周期性減弱，由此可探知恒星周圍有行星存在。但星光減弱得很少：木星大小的行星會使恒星亮度減小約 1%，地球大小的行星僅為 0.01%，可見凌星法的成功實(shí)施須有很高的測光精度。

1992年，美國天文學(xué)家在一顆脈沖星的周圍發(fā)現(xiàn)了3顆外星行星。1995年，瑞士科學(xué)家在45光年遠(yuǎn)的恒星飛馬51周圍發(fā)現(xiàn)了普通恒星周圍的第一顆外星行星，取名飛馬51b。

隨著觀測技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了越來越多的外星行星，到2013年1月7日已達(dá)2740顆，這一數(shù)字還在不斷增加。有些恒星的周圍已發(fā)現(xiàn)有2顆甚至多顆行星。不過，現(xiàn)已找到的行星大多數(shù)都是比較容易發(fā)現(xiàn)的、質(zhì)量較大的類木行星，且距母恒星比較近。

美國宇航局在2009年3月7日發(fā)射了“開普勒空間望遠(yuǎn)鏡”，專門用于發(fā)現(xiàn)外星類地行星。望遠(yuǎn)鏡口徑0.95米，采用行星凌星法，計(jì)劃對超過 15 萬顆恒星周圍進(jìn)行搜尋。2013年5月15日，“開普勒”因設(shè)備故障被迫結(jié)束行星搜索工作。到2014年4月，“開普勒”及其后續(xù)觀測已確認(rèn)962 顆外星行星，以及 2903個尚需確認(rèn)的行星候選體。

截至2014年3月，在已發(fā)現(xiàn)的外星行星中，質(zhì)量最小的只及月球質(zhì)量的2倍，質(zhì)量最大的約達(dá)到木星質(zhì)量的29倍。一些行星很靠近其母恒星，公轉(zhuǎn)一周僅需幾小時(shí)；另一些則遠(yuǎn)離母恒星，公轉(zhuǎn)周期長達(dá)幾千年。五花八門的外星行星之客觀存在，其各方面性質(zhì)與太陽系行星大相徑庭，從而對現(xiàn)有太陽系形成理論提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在確認(rèn)位于母恒星宜居帶內(nèi)的外星類地行星后，下一步將是設(shè)法鑒別行星上是否可能存在生命。一種可行的途徑是分析行星的大氣成分，比如是否含有氧、氮、甲烷、臭氧等，并與地球在46億年演化過程中不同時(shí)期的大氣組成進(jìn)行比較，從而為外星行星上能否存在生命，以及生命進(jìn)化可能所處的階段提供一些重要線索。

近期不時(shí)有報(bào)道稱，哈勃望遠(yuǎn)鏡等空間探測器在一些外星行星上發(fā)現(xiàn)了水、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等大氣譜線，也發(fā)現(xiàn)了“疑似”位于母恒星宜居帶內(nèi)的外星類地行星，從而令科學(xué)家們欣喜不已。

展望

“開普勒”計(jì)劃之后，努力探尋外星類地行星的工作仍將繼續(xù)。如歐洲空間局曾提出一項(xiàng)“達(dá)爾文”計(jì)劃——發(fā)射8艘飛船，6艘各帶一個1.5米口徑反光鏡，排成100米直徑的列陣作編隊(duì)式飛行，同時(shí)觀測同一目標(biāo)天體。第7艘把所獲得的訊號綜合成單個像，第8艘負(fù)責(zé)把圖像傳回地球。該設(shè)備的分辨率相當(dāng)于一架100米口徑望遠(yuǎn)鏡，觀測在紅外波段上進(jìn)行，以期對可能存在的外星行星進(jìn)行直接成像，并從中發(fā)現(xiàn)更多的宜居外星行星，甚至找到外星地球。

顯然，找到宜居行星——即使距地球只有幾十光年，看來并無“實(shí)用”價(jià)值，地球人不會、也不可能向此類行星移民。然而，對自然界的好奇心和探究其中之奧秘乃是人類的天性，其中包括生命起源這一重大問題。地球是人類的搖籃，但地球人的目光決不會僅限于地球。不過要記住，發(fā)現(xiàn)宜居外星行星，與發(fā)現(xiàn)外星人是兩碼事（但并非風(fēng)馬牛不相及），切不可混淆！前一項(xiàng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)相對較容易，且已初露端倪（如開普勒-186f），相信不久便可取得明確的結(jié)論。后一項(xiàng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可要難得多。但不管怎么說，人類正朝著自己的既定目標(biāo)——探索位于母恒星宜居帶內(nèi)的外星地球、外星生命以至外星人，一步一步堅(jiān)定地向前邁進(jìn)。只要持之以恒，未來必會對此做出重大發(fā)現(xiàn)。