第二個地球在哪里？

多年來，天文學家們發(fā)現(xiàn)了越來越多的行星，它們也越來越“像”地球——至少在尺寸，它們離各自恒星的距離，它們的潛在成分及特性等方面有類似性。

天文學家們從宇宙發(fā)現(xiàn)系外行星已有25年。這些行星有很大差異：它們個頭碩大、溫度很高，并接近它們的恒星。它們有的呈氣態(tài)狀態(tài)如同木星y；有的是基巖石。它們有的極端寒冷，地球上的生物在那里會被凍死。有的溫度極高，可以融化玻璃。它們有的遙遠，有的近若鄰居。

2016年8月24日，天文學家宣布發(fā)現(xiàn)了“比鄰星”，這可能是一個巖石行星，它繞行的恒星離我們太陽系最近，適合人類居住，被稱為“像地球的行星”。目前被我們熟知的“比鄰b”是屬于已知系外行星中最小的一類行星，它與地球的距離是我們可以達到的。它是3565個已知系外行星之一。

由于發(fā)現(xiàn)新行星發(fā)布會每年都會定期舉行，人們對此類事件失去了新鮮感。大家都想知道下一個最接近地球尺寸的行星的新聞故事，或許是地球的姐妹星。隨著被發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)量增加，系外行星似乎開始越來越普通。

天文愛好者開始用“系外行星疲勞”來形容這種思維傾向。每當炒作一個距地球很近的系外行星時，會有上千顆行星一起被發(fā)現(xiàn)。但科學家說，我們對系外行星的研究還遠遠不夠。

系外行星的現(xiàn)實

長期以來，天文學家一直認為行星是很難形成的。搜索外星智能的先驅者吉爾·塔特說：“或許需要二顆距離足夠近的恒星相互作用，以吸取恒星表面的物質。”行星起源于雙盤星，但這二顆恒星是如何走得這么近的？

這些豐富多彩的照片展示出已知系外行星令人震驚的多樣性

當前科學的標準說法是，恒星和行星是由收縮的氣云組成的。在氣體塌縮成密實的團塊，并開始進入恒星軌道之后，重力將剩余的氣體壓縮成盤形環(huán)圈。塵埃和氣體分子相互碰撞，并粘連在一起，以增添質量，進而增大重力，這樣又可吸引更多的塵埃和氣體。這個過程就像滾雪球一樣，小團塊最終增長成小行星、大行星和彗星。但是這個理論直至1980年代仍不成熟，以致大多數(shù)科學家仍繼續(xù)堅持認為，行星的形成并沒那么簡單。條件必須具備，才能產(chǎn)生行星，他們認為這非同尋常。

但是人們還是堅持搜索系外行星，并不斷有新的發(fā)現(xiàn)。1992年，天文學家亞歷山大·沃爾茨克贊和戴爾·弗雷爾發(fā)現(xiàn)在一顆脈沖星周圍有兩顆行星，脈沖星是超星爆炸后留下的外殼。3年后，天文學家米歇爾·梅厄和迪迪爾·奎洛茲發(fā)現(xiàn)一顆質量為木星一半的行星，它圍繞類似太陽系的一顆恒星旋轉，周期約為4天。當時人們是通過天文望遠鏡探測恒星光波的延長和收縮，來發(fā)現(xiàn)行星，因為光波的伸縮是行星引力的作用效果。

在1980年代中期，加州芒廷維尤NASA艾姆斯研究中心前研究人員比爾·博魯克基提出了更好的方法。他用天文望遠鏡監(jiān)測恒星，并等待行星經(jīng)過時遮住部分恒星的光照。這一過程稱之為過渡，博魯克基相信這一方法可以發(fā)現(xiàn)很多行星。他想建造一座軌道望遠鏡，以觀察大片太空和所涵蓋的恒星。他于1990年代開始正式立項建議書，之后又提出了3次，直至2000年的第5次，建議才得到NASA的批準。

隨著9年后的成功發(fā)射，開普勒太空望遠鏡最終問世。它的最根本目的是：發(fā)現(xiàn)一顆真正像我們地球的行星，而且它適合生命生存。當首批結果返回時，開普勒項目的儀器科學家道格·考德威爾最先看到一顆已知行星的數(shù)據(jù)。他說：“數(shù)據(jù)如此清晰，以致它看上去像一個假的計算機模型，我們真的很吃驚，項目真的成功了?！?/p>

開普勒的普查

開普勒太空望遠鏡的工作使這一領域發(fā)生了革命性的變化。這讓科學家發(fā)現(xiàn)了許多行星，其中有很多類似地球的。

隨著開普勒在太空工作時長的增加，它積累起足夠的經(jīng)驗來探測更小的、距離它們的恒星更遠的行星，研究團隊需要采用新的方法來確認它們。

考德威爾說，這造成了行星領域的變化。天文學家們只需要有99%的把握確認某一顆候選行星是真正的行星。他們開始分批確認行星的存在，采用的是統(tǒng)計驗證技術，它匹配于對比模型的過渡，以決定它們是行星的可能性有多大。天文學家們依據(jù)觀察推測出銀河系內與地球尺寸類似的行星數(shù)目大致等于恒星的數(shù)目，也是大約1000億個。

目前，科學家能對行星進行人口統(tǒng)計學研究，就像用人口普查數(shù)據(jù)進行民意調查一樣——年收入低于45000美元的家庭占百分之幾？在離恒星一億英里范圍內質量大于地球的行星占有多大的比例？于是科學家擴大了探索范圍，從對地球孿生星的探索到分析其眾多不同兄弟姐妹星球的模樣。

一些系外太陽系統(tǒng)類似我們的太陽系，具有整套的行星，排列在一個面上，小的行星大多都接近太陽，較大的則離太陽較遠。在別的星系中存在著溫度較高的木星和非常接近的大行星；還有別的星系中的一些行星運行在搖晃的軌道上，相互之間形成奇特的角度。另外有些星系的恒星還具有袖珍海王星和超級地球，表現(xiàn)出在我們星系看不到的多樣性。

即便在首顆系外行星被發(fā)現(xiàn)之后的25年間還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)過許多顆行星，但我們仍沒有回答最初激發(fā)出開普勒項目任務的那些問題：我們的太陽系是怎么形成的？一個像地球這樣的宜居行星，真的像地球一樣？它多久才會出現(xiàn)？

更多的信息

剩余的不確定性和潛在的問題通常不會出現(xiàn)在電視報道的新聞提要中，它們關注的是新發(fā)現(xiàn)的行星新聞。許多報紙報道令人緊張的新聞，其中都充滿著“宜居的”和“像地球的”等詞語。

需要明確的是：目前人類尚未確切知道是否有宜居的和像地球的行星存在。但是當科學家們和媒體到處拋出這些詞時，表明天文學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了他們一直在尋找的關于行星的一些事實。人們也就認為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了地球的孿生星。

第一個問題是科學家使用的術語“在宜居地帶”有時候被人們簡化為“宜居的”?？茖W家們說“在宜居地帶”是指“可能擁有液態(tài)水”，但當這句話演變?yōu)椤耙司拥摹?，則意味著“可能擁有生命”。

華盛頓大學的天體物理學家羅里·巴恩斯說：“這些英語詞匯有不同的意義，而公眾就會做這樣的完美推理：啊，這是在宜居地區(qū)，因此它是宜居的。”

事實上，是否宜居取決于很多因素，并不只是行星至恒星的距離。行星的內部結構和它的大氣層以及恒星的穩(wěn)定性和強度等都起作用。

這些豐富多彩的照片展示出已知系外行星令人震驚的多樣性。

為了反映這種復雜性，巴恩斯研究出一種度量標準，用于測量系外行星的宜居指數(shù)。傳統(tǒng)的宜居區(qū)有兩種意義：是或不是，一個行星是在宜居區(qū)的，或者不在宜居區(qū)內。但宜居指數(shù)給出的是一個行星實際擁有液態(tài)水的概率，當然行星表面的溫度也在考慮之內。他希望科學家在未來能使用該指數(shù)判斷哪些行星值得用天文望遠鏡特別關注。這些天文望遠鏡并非用于判別一個行星是否像地球，而是去判斷它是否真的是另一個地球。

如果公眾知道我們離發(fā)現(xiàn)一顆真正宜居的行星有多近，盡管我們至今實際上尚未發(fā)現(xiàn)另一個地球，但肯定還是能激發(fā)他們的興趣。

邁爾斯·布里格斯行星目錄

考德威爾說：“‘像地球’比‘宜居地帶’引發(fā)問題更多，因為含義不明。按照我的理解，如果一個星球像地球，它應該有樹木、水和類似的物質。可是事情并非像我們想的那樣，我們無所適從?！?/p>

行星的許多細節(jié)，除了大小、重量、鄰里等表面屬性外，還有更多細節(jié)需要研究。一些下一代的天文望遠鏡計劃瞄準比鄰星b，與用于觀察更遠處的類似行星的裝備相比，這種望遠鏡的變焦比并不是最大的。對諸如詹姆斯-韋伯太空望遠鏡和凌日系外行星調查衛(wèi)星之類的下一代天文望遠鏡進一步研究，不只是為了發(fā)現(xiàn)新的世界，還將通過系外行星的大氣層對其進行探索研究。

科學家感興趣的是生命信號，或是當生命在呼吸、進食、進行光合作用，或與環(huán)境進行化學互動時表現(xiàn)出的生命現(xiàn)象。比如，在地球上的大氣層中含有氧和臭氧及相對少量的甲烷，這表明此處正進行光合作用。

工程師們最近完成了詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（哈勃望遠鏡的繼任者）的主反射鏡的18個六角形組件的組裝（左）。凌日系外行星觀測衛(wèi)星（TESS右圖）將直接從2萬個恒星目標中搜尋新的系外行星。這兩款下一代天文望遠鏡將幫助我們更深地了解系外行星及其大氣層，或許可能探測到存在的生命信號。

到目前為止，科學家只能看見少數(shù)幾顆行星大氣層的光譜，因為他們需要更大更先進的天文望遠鏡，配備專門的設備來遮擋恒星光線，以便真正了解行星。或許我們應該等待新的裝備，并運用于探索系外星系。

科學革命萬歲

科學家們得出這樣的結論：到目前為止，真正令人興奮的發(fā)現(xiàn)僅有那么多。馬里蘭州格林貝爾特的NASA哥達德太空飛行中心的天文學家阿基·羅伯格說：“或許公眾對系外星系有一定程度的疲勞是正常的，一旦真正發(fā)現(xiàn)瘋狂驚人的事情，我們仍然能引起人們的關注?！?/p>

瘋狂驚人的事情是指發(fā)現(xiàn)像地球的、真正宜居的行星，或已有人居住的行星，當然這些都是未來的事。塔特稱21世紀是“地球和更遠太空的生物學世紀”。

羅伯格闡述了同樣的想法。她說：“我們正處于一場科學革命的邊緣，但這場革命與天文學自身無關；它實際上涉及生物學。在星外世界發(fā)現(xiàn)生命，一種獨立譜系的生命，其意義如同一場革命，就像人類認識到太陽是恒星，或者天空移動的亮光是行星一樣，或在宇宙中像地球的行星如同恒星一樣普通。”

羅伯格說，這可能是數(shù)十年后的事，甚至100年或更長，無法預知。但她認為，正如牛頓的萬有引力支配著行星是如何相互作用的（以及你是如何與地面相互作用的）一樣，也有一套平行的定律支配著生命是如何起源的（或沒有起源），然后是如何生存的（或不會生存）。她說：“生命可能是稀有的，但也許生命并非稀有。不過我并不認為能讓地球生命存活下來的宜居條件是稀有的?！?/p>

解開奧秘的唯一途徑是繼續(xù)觀察，不斷積累更多行星，探測遙遠行星的大氣層。采用更新的天文望遠鏡將會看到科學革命的光輝。