系外行星

張雪松

北京時間2015年7月24日凌晨，美國國家航空航天局（NASA）公布了一則重磅消息：根據開普勒空間望遠鏡觀測的最新數據，天文學家在太陽系外的恒星宜居帶上發現了迄今為止與地球最相似的一顆系外行星，并將其命名為開普勒-452b。這顆素有“地球2.0”之稱的系外行星的發現，是人類在尋找“另一個地球”道路上的重要里程碑。

開普勒-452b的發現之旅

提到系外行星開普勒-452b的這一振奮人心的發現，就不得不提大名鼎鼎的開普勒空間望遠鏡。2009年，開普勒空間望遠鏡發射升空，此后對天鵝座和天琴座中大約10萬個恒星系統進行了觀測，并在2013年8月放棄修復前，發現了分布在約440個行星系中的1000多顆系外行星，此數量超過了此前人類探測到的系外行星的總和。

開普勒空間望遠鏡可以說是為探索系外行星專門設計的，它主要通過行星凌日現象間接探測到系外行星的“蹤跡”，因此探測效率也大大提升。行星圍繞太陽旋轉經過日地之間，位于地球上的觀察者會發現有黑點掠過太陽的現象，這就是天文學上所說的“凌日”。此后天文學家逐步推廣了凌日的概念，使之也同樣適合于太陽以外的恒星，當行星經過恒星與地球之間的連線時，地球上的觀察者就會看到恒星被部分遮擋的現象。

系外行星距離地球十分遙遠，近的半人馬座α星也在4.3光年外，開普勒-452b更是遠達1400光年，天文學家甚至發現了距離地球21500光年外的系外行星。天文學家主要通過凌日觀測等間接方法探測系外行星，這就要求望遠鏡靈敏度極高并盡可能地避開雜光的干擾，因此開普勒空間望遠鏡特意發射到尾隨地球的太陽軌道上，避免了地球散射光線的影響，它選定的觀測方位是天鵝座和天琴座，不僅規避了太陽光的干擾，還盡可能降低了主帶小行星和柯伊伯帶小行星可能產生的遮掩。NASA還計劃設計獨特的“太空向日葵”大型空間望遠鏡，通過向日葵形的星光抑制器遮擋系外行星環繞的恒星的光

芒，更清晰地拍攝系外行星并進行研究。

事實上，NASA通過開普勒空間望遠鏡發現的系外行星中，不乏體積大小和地球更為相似的對象，例如系外行星開普勒-442b的直徑約為地球的1.3倍，系外行星開普勒-438b更是只有地球的1.1倍，但它們無一例外都存在公轉周期太短的問題，開普勒-438b只有35天，開普勒-442b也只有112天，并不適合人類生存。此外，直徑為地球1.1倍的開普勒-186f處在適合液態水存在的“宜居帶”，但它位于宜居帶外側，可能存在溫度過低的問題，而且圍繞旋轉的恒星是一顆質量僅為太陽一半的紅矮星，也并不適合生命的存在。

“地球2.0”？

行星開普勒-452b的發現令人振奮，主要是由于它在三個方面都接近地球環境：它的直徑約為地球的1.6倍，公轉周期約為385天，圍繞旋轉的恒星開普勒-452的質量與太陽十分相近，開普勒-452b行星到恒星的距離還和日地距離大致相當。NASA表示，開普勒-452b是人類確認的第一顆“和地球尺寸相近”、圍繞“類似太陽”的恒星公轉而且“軌道位于宜居帶內”的系外行星。

開普勒-452b在行星大小、軌道周期和軌道半徑上和地球極為相似，在媒體的報道中，它與地球的相似指數（ESI）甚至高達0.98，但將其視為“地球2.0”版本，恐怕還為時過早。ESI是天文學家研究系外行星的一個概念，它綜合考慮行星半徑、密度、溫度等一系列參數，是通過量化方式表示行星與地球的相似度。

由于人類在系外行星觀測能力上的局限，我們只能通過粗略估算系外行星的大小，距自身恒星的距離（地球的恒星即為太陽）等“簡陋”的數據來推斷系外行星的相關情況，但這與其真實的面貌可能會有不小的差距，并且不排除會出現差之毫厘，謬以千里的誤判。可能正是基于這種不確定性，NASA的官方報道根本沒有提及ESI這個指標。

相比媒體的樂觀和極度渲染，開普勒-452b的發現者，NASA的態度還是非常嚴謹的，它只是精確指出了開普勒-452b在尺寸、軌道周期和軌道半徑這三個方面和地球極為相似。開普勒-452b發現團隊的負責人喬恩·詹金斯表示：開普勒-452b可以算是地球的“大表哥”，它能夠為我們對地球環境研究的探究提供參考，為了解地球環境的演變提供機會。開普勒-452所在行星系的壽命約60億年，這顆恒星輻射比太陽高20%，開普勒-452b行星接收的輻射比地球高10%。毋庸置疑，開普勒-452b行星能夠讓我們“預覽”到地球十幾億年后的境況，有助于我們預測遙遠未來的地球環境。

尋找類地行星

開普勒-452b行星的發現一度掀起軒然大波，但在找尋系外行星的道路上，這一切卻絕非偶然。作為一種智慧生命，人類渴望探究宇宙奧秘，渴望找到另一個適合我們的生存空間。也正因為如此，天文學家們無不嘔心瀝血，投入巨額預算探索系外行星。無論是大受歡迎的科幻影片《阿凡達》，還是屢獲殊榮的科幻名著《三體》，無一例外都描繪了系外行星上的宇宙生命，反映了人類對未知世界無限奧秘的探索精神

早在20世紀60年代，天文學家坎普就曾發表聲明稱距離地球約6光年的巴納德星就存在一個或多個行星。由于巴納德星距離太陽近并且可能存在行星，雙重利好因素使它一度成為科幻界甚至科學界探究的熱門。英國星際學會甚至為了一探究竟，提出了使用核聚變飛船探索巴納德星的代達羅斯計劃。盡管隨著人類觀測能力的提升，現在已經否定了巴納德星存在行星的猜測，但在探究宇宙奧秘的過程中，我們已經發現了更多的系外行星，不過遺憾的是，它們多數是非宜居行星。

1995年，科學家們首次在主序恒星周圍發現了一顆巨大的氣態行星，這樣的行星被稱為“熱木星”，它們體積大更容易被發現，但人類不可能居住在氣態行星上。我們還發現了大量多行星系統，其中包括一些固體行星。固體行星更適合人類居住，但它距離恒星太近會被引力潮汐鎖定，永遠一面對著恒星，這種苛刻環境下人類是無法生存的，所以很多恒星周圍的系外行星并不適合人類居住。類似的，內核冷卻沒有磁場的固體行星，大氣層會被來自恒星的星風無情地吹散，這種地獄般的環境也不是適合我們居住的地方。液態水對我們人類來說是判斷生命存在和適宜居住的重要依據，一顆距離恒星遠近適中的固體行星，表面溫度才可能正好支持液態水的存在，這也是現在判斷宜居帶的主要依據。

不過話說回來，太陽系宜居帶內有酷熱的金星和寒冷的火星，這說明宜居帶行星的溫度也很可能千差萬別，或者說我們最多只能排除哪些行星不適合居住，而確認宜居行星是極為困難的工作。2012年，人類在距離地球更近的半人馬座α星周圍發現了系外行星的蹤跡，而半人馬座α星恰是《阿凡達》和《三體》所描繪的恒星系。遺憾的是，半人馬座α星的系外行星公轉周期只有3.2天，絕對不適合任何生命形式的存在。

結 語

時至今日，人類在尋找類地行星的道路上已經取得了巨大進展，開普勒-452b的發現就是其中的杰出代表。現如今，人類已經證實，系外行星在銀河系中普遍存在，位于恒星宜居帶內的行星也為數甚多，擁有地球的太陽系絕非銀河系的孤本。

天文學家根據開普勒空間望遠鏡的觀測結果分析，銀河系內類似太陽或是更小的紅矮星周圍，僅僅在宜居帶范圍內就可能存在高達400億顆與地球大小相近的行星，說不定這數百億，甚至上千億的行星中就隱藏著“另一個地球”，靜待我們去發現。