矮行星系將改變人類對外星生命的尋找

阿莫里·崔奧德

幾千年前，就有人推測地球之外有生命，這一想法可以一直追溯到希臘哲學家伊壁鳩魯和德謨克利特的時代。沒有記載的好奇無疑開始得更早。值得一提的是，當代人想要通過對太陽系外行星的研究尋找答案。早期的研究結果正在顛覆很多歷史上的假設。

不久前，我們在劍橋大學和列日大學的研究團隊報告發現了一顆附近的恒星，命名為TRAPPIST-1A，它有7顆與地球大小和質量都相仿的行星。這7顆行星都氣候溫和，意味著在適的大氣和地質條件下，它們可能含有液態水。其中3顆行星剛好位于母恒星的宜居帶，其接收的來自母恒星的能量，和地球接收的來自太陽的能量相差無幾。

全球的媒體都在報道這一令人狂喜的消息。在很多方面，TRAPPIST-1星系不像是一個會有生命的地方：其母恒星發出的光僅僅是太陽的5%，質量僅僅是太陽的1/12，甚至沒有木星大。TR APPIST-1被歸類為超冷矮星，是現存的最小的恒星。

長久以來，人們認為尋找超冷矮星的宜居行星是在浪費時間。即使天文學家發現了外星系通常跟太陽系不同，人們仍然保留過去的態度。在我們看來，地球和太陽如此正常和宜居，以至于我們被它們的屬性蒙蔽了雙眼。因此，很多項目的目標是找到一顆地球孿星：一個大小、質量和地球一樣大，繞一顆像太陽的恒星運轉，相隔的距離也是地球到太陽的距離。探測到這樣一個星系還要等幾十年。

在努力回答“別處是否有生命”這個問題時，集中精力尋找地球孿星被認為是一條安全途徑，因為我們認為相似的條件會導致相似的結果（至少部分時候是如此）。但現在，考慮到現有行星的巨大數量和種類，這個目標就太過保守，這是TRAPPIST-1星系帶給我們的部分啟示。有關研究應該是發現未知的事物。找到一顆有生命的地球孿星，會是一次巨大的科學成功，但是幾乎不會提供整個宇宙中生物出現的知識。

我們的目標更大，我們要尋找的答案是“在別處找到生命的概率有多大”。詞匯的簡單變化意味著，我們應該也探索跟太陽系不同的行星系統。如果地球真是唯一宜居的樣板，是會令人吃驚和失望的。類似太陽的恒星，占銀河系中恒星的15%，而且其中的一半多存在于雙星系中，因為跟太陽系的現有條件相去甚遠而不予考慮。因此，尋找地球孿星，在本質上只涵蓋了所有結果中的一小部分。

一旦我們重新設定目標，去測量生物出現的總體概率，超冷矮星就成為明顯的目標。銀河系中一半恒星的質量小于太陽的1/4。初步結果表明，巖石常見于繞低質量恒星運轉的行星上，包括超冷矮星系，可能在類似太陽的恒星的軌道上更常見。

超冷矮星也開辟了一條更容易的途徑，用于研究氣候溫和的類地行星。超冷矮星的科學優勢源于它們的恒星特質，源于如何確認太陽系外行星，源于我們想要如何研究大氣層。

發現TRAPPIST-1的行星是在它們運行到母恒星前面時，會投下一個影子，影子的深度告訴我們多大的恒星表面被行星遮住;行星越大，影子越深。因為超冷矮星如此小，以至于地球大小的行星運行到TRAPPIST-1A前面時，其效果顯著，相當于運行到太陽前面時的80倍。

發生這一現象時，行星大氣層里的任何氣體都會改變星光的樣子。在超冷矮星周圍，大氣特征會增強80倍。TRAPPIST-1行星的大氣成分，可以通過現有的和未來的設施探測到，比如將在2018年發射升空的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，而研究地球孿星還需要幾十年的技術發展。提取可靠的大氣信號需要觀察幾十次凌星現象。因此，TRAPPIST-1有很大的優勢。微小的超冷矮星的周圍，溫和的行星凌星現象隔幾天到兩個星期就會發生一次，而不是像地球這樣的行星，一年只有一次。

宇航員，包括我們自己，都已經開始研究其他恒星周圍的巨型行星的成分，探測諸如水、一氧化碳、甲烷和氰化氫等分子。隨著TRAPPIST-1星系的發現，我們可以把探索延伸到類似地球大小的行星上。首先要確定大氣中溫室氣體的構成，判斷表面條件是否有利于液態水的存在。然后我們將尋找生物產生氣體的跡象，比如類似地球上的生物體改變了地球大氣成分的方式。

但還是很難宣稱發現了生命。我們不能依賴于檢測一種氣體，而是需要檢測幾種氣體，并且需要測量它們的相對豐度。此外，我們必須非常小心誤判。例如，反復的恒星耀斑可以在沒有生命的大氣中聚集氧氣。TR APPIST-1星系的豐度是一筆重要的財富，因為我們可以把它的行星和其他行星進行比較。所有7顆行星源自同一個星云變化，它們有著相似的歷史：承受太陽耀斑和隕石撞擊。與其他只包含一兩個溫和的類地行星的星系相比，TRAPPIST-1星系更容易剔除誤判。

更重要的是，TRAPPIST-1不是一次性的發現。超冷矮星如此常見，所以有無數類似的星系離我們很近。TRAPPIST望遠鏡是用來發現TRAPPIST-1行星的設施，恰好是更雄心勃勃的行星測量設施的雛形，即SPECULOOS望遠鏡（尋找形成超冷矮星日食的宜居行星的望遠鏡），已經開始運行。我們預期，將來5年里，在超冷矮星周圍會發現更多的類似地球大小的有巖石的行星。有了這個樣本，我們會探索這種行星的很多氣候類型。我們會發現多少種不同類型的環境呢？

使用SPECULOOS望遠鏡，我們將著手解決科學家提出的異議，即超冷矮星周圍行星的宜居性。一種觀點是，這樣的行星會被潮汐鎖定，這意味著它們有一面是永久的白天或黑夜。靠近小恒星軌道運轉的行星可以刺激彼此的軌道，不穩定性主要源于此。超冷矮星頻繁燃燒，發射出紫外線和X 射線，可能會把行星上的海洋蒸發掉。

這些觀點沒有阻止我們，而是激發了我們。現在我們可以評估真實的條件，探索相反的論點，即恒星周圍像地球大小的行星，比如TRAPPIST-1，事實上可能是宜居的。海洋和厚厚的大氣層可以減輕晝夜的溫差。在相近的行星軌道上，潮汐間的相互作用會為生物提供能量。一些模型顯示，圍繞超冷矮星形成的行星最初擁有的水比地球多。紫外線輻射有助于生物生成相關化合物……我們是樂觀的。

通過研究圍繞超冷矮星運行的行星，不論發現什么，我們都不會失敗，只會學到知識。如果我們能夠確定在一顆類似于TRAPPIST-1星系中的行星上存在生命，就可以開始測量宇宙中生物出現的概率。在10年里，我們可能會有第一條有關外星生物的線索。如果發現哪一個行星都不宜居，或者是宜居卻貧瘠，我們會明白生命是稀少而又珍貴的，也會證明尋找地球孿星的途徑是正確的，不會耽擱。

不論哪種情況，我們都會定義我們存在的背景：是蕓蕓眾生之一，或是離群索居者。這兩種可能都震撼人心，都驚心動魄。