熱烈歡迎：尋覓可居住的行星

張弨+晨飛

麻省理工學院行星科學和物理學教授薩拉·西格說：“如果我們能夠識別出另一顆類似地球的行星，從起初認為一切均圍繞著我們地球旋轉，到如今知道存在著很多其他類地行星，這就形成一個完整的認識過程。”

在我們的太陽系之外找到數千顆行星被認為是人類探索中的“欣喜發現”。但是最大的回報還沒有到來：獲取一個遙遠的可居住世界的證據。

我們自熟悉的地面開始搜索，因為我們這個星球目前是具有生命的唯一的例子。在我們星球上，水是不可缺少的，因此天文學家在宇宙中搜索與之類似的環境。圍繞幾乎每個“正常”的星體，包括我們的太陽，我們可以勾畫出一個潛在的居住條件，即：存在液態水所需的合適的距離與溫度。恒星和行星有很多種類并且大小各異，這些因素的相互作用決定了這個“可居住區域”的范圍。

相對個頭更小、溫度更低的矮恒星而言，一個巨大灼熱恒星的可居住區域距離它較遠。如果按照我們的計劃，首先根據已知信息進行搜索，那么較小的巖石世界是我們尋找生命證據最好的選擇。

因此，盡管科學家對構成可居住區域的認識在不斷深化，最理想的選擇仍是位于恒星可居住區域內的一個地球大小的巖石世界。

渴望合適的恒星

事情還遠沒有結束。雖然行星和恒星的大小和組成對可居住性而言至關重要，但是時間因素也很關鍵。體型大且明亮的恒星比那些更溫和的恒星燃燒得更快，它們燃燒最亮的時間只有幾百萬年，然后就開始熄滅了；而我們的太陽已經持續閃耀了45億年，還將持續50億年。屆時，太陽將會膨脹數倍，可能會吞噬地球和其他內部行星，任何地球生命都將被烤焦。

地球的形成源于初始太陽的原始星盤的灰塵和塊狀物質。第一批微觀生命常常被認為是地球形成之后大約10億年出現的，大約又經過30億年，多細胞宏觀生物才出現，它們的印跡開始在化石中被發現。

幾億年的時間可能足夠產生微生物，但對形成大型動物，特別是那些開口說話和建立射電望遠鏡的物種來說，這個時間跨度可能會太短。因此，我們需要將那些大而亮的恒星排除在尋找名單之外。

另一方面，長壽的矮恒星可能是應該尋找的地方。甚至那些擁有近距離的可居住區域的星體，因為它們會被潮汐鎖定，總是同一面朝向恒星，所以科學家曾經認為這樣的世界一面會被烤焦，另一面會被凍結，不適宜生命生存。但是，通過進一步的建模和觀察，發現這些行星環繞的風可以消除其影響，為這些世界提供溫和的氣候。

最安全的賭注可能是那些類似太陽的恒星，它們擁有與地球大小相當和類似軌道的行星。

伴星會使行星顯得更小

在搜尋類似地球的系外行星時，很重要的一點是對行星的密度進行比較。低密度行星更可能是類似木星的氣態行星，而高密度意味著該行星有可能與地球這樣的巖質行星相似。但美國航空航天局噴氣推進實驗室的最新研究發現，某些行星的高密度很可能是由系統中隱藏的第二顆恒星造成的假象，它們本身并不具有這么高的密度。

在太空中進行定向觀測的望遠鏡無法區分所有的單恒星系統和雙恒星系統。即使使用美國航空航天局的開普勒空間望遠鏡這樣的精密設備，兩顆緊密繞行的恒星在圖像中看起來可能也只是一個光點。來自加州理工大學紅外處理分析中心、美國航空航天局系外行星科學研究所的伊莉斯·弗蘭，以及美國航空航天局艾姆斯研究中心的斯蒂文·豪厄爾指出，這可能會對估算圍繞其中一顆恒星運行的行星的體積具有重大影響。

“隨著獲取到更多有關恒星的信息，圍繞它們的行星中，有多少是類似地球的小型行星，有多少是像木星那樣的大型行星，我們關于這些問題的答案可能會隨之改變。”弗蘭說，“只有充分了解了恒星，才能對它們的行星有準確的認識。”

許多已經研究透徹的系外行星都是圍繞單顆恒星的。我們已經知道，開普勒186f這顆和地球大小近似的行星，處在恒星的宜居帶里，并且它的母星沒有伴星。表面溫度極低的紅矮星TRAPPIST-1具有7顆地球大小的行星，它也沒有伴星。在這些情況下，行星直徑的估測不會受到影響，因此獲得的行星密度也是準確的。

但是，最近獲得的高分辨率圖像顯示，其他恒星附近存在著伴星。美國航空航天局系外行星科學研究所的首席科學家大衛·恰爾迪領導了一項大規模研究，利用多個地面望遠鏡對開普勒空間望遠鏡觀測到的恒星進行追蹤。和其他研究一起，他們確證這些恒星當中具有行星的，大多是雙恒星系統。在此之前，天文學家計算行星直徑時并沒有將另一顆恒星的影響考慮在內。這意味著對這些行星體積的估計值與實際值相比偏小，行星密度的估計值則偏高了。

此前的研究認為，太陽系周邊區域里的同類恒星，大約有1/2在10000天文單位內有一顆伴星。基于這一估計，開普勒空間望遠鏡觀測到的恒星中，有15%可能擁有一顆明亮的近距離伴星，也就是說，這些恒星周圍的行星或許比之前推測的密度要小。

雙恒星系統的凌星問題

當望遠鏡觀測到凌星現象，也就是行星從它所屬的恒星前方通過時，天文學家可以測量恒星亮度的衰減。凌星時被擋住的光線多少取決于行星的大小——行星越大，擋住的光線越多，觀測到的亮度衰減就越強。科學家用這些信息來推算行星的半徑。

如果是雙恒星系統，望遠鏡測量到的則是兩顆恒星亮度的綜合。但是行星只圍繞其中一顆恒星公轉，也只會造成這顆恒星的亮度衰減。因此，如果沒有將第二顆恒星考慮進來，對行星體積的估計就會偏小。

舉例來說，如果望遠鏡觀測到恒星亮度衰減5%，科學家會按照單恒星的情況來推算凌星的行星的體積。但是，如果有第二顆恒星增加系統的整體亮度，為了造成同樣程度的亮度衰減，行星的體積應當更大。

如果行星繞雙恒星系統中較亮的恒星公轉，系統中大部分亮度來自這顆被繞行的恒星，在估算行星體積時的影響不會很大。但是，如果行星繞行的是亮度較低的恒星，另一顆恒星對整個系統的亮度貢獻更大，推測出的行星半徑就可能要進行較大的調整了，估算值可能是實際值的2倍、3倍，甚至更多。而行星半徑會影響對其軌道距離的估算，進而影響對行星是否處于宜居帶的判斷。

如果兩顆恒星亮度差不多，那么造成與單恒星系統同等水平的亮度衰減，所需的行星半徑要多出40%。因為計算密度時會使用半徑的立方，半徑增加40%，會造成密度降低至1/3。這項修正對小型行星來說具有重大影響，因為它意味著曾經被定性為巖質行星的，可能實際上是一顆氣態行星。

在最新的研究當中，弗蘭和豪厄爾把在開普勒空間望遠鏡視場中出現過的50顆行星作為研究對象，這些行星的質量和半徑此前都已經估算過。這些行星圍繞的恒星在1700天文單位內都有一顆伴星，其中有43顆在估算體積時沒有把第二顆恒星的影響考慮在內。這意味著修正它們的估計值是有必要的。

在大多數情況下，已知的行星體積不需要進行太大的更改。此前的研究顯示，在被選中的50顆行星當中，有24顆圍繞雙恒星系統中更大并且亮度更高的恒星運轉。此外，弗蘭和豪厄爾確認，另外11顆行星如果屬于雙恒星系統中亮度較低的恒星，那么其修正后的體積對行星來說大得不合理。因此，這35顆行星的體積估算值不會有重大變化。

但是對其他15顆行星來說，確定它們屬于雙恒星系統中的哪一顆恒星的難度很大。這15顆行星當中，有5顆所屬的雙恒星系統擁有兩顆亮度基本相等的恒星，因此無論它們屬于哪一顆，修正后的密度都會極大降低。

這種伴星效應在對開普勒空間望遠鏡尋找到的數千顆系外行星進行分析時影響巨大。此外，它對美國航空航天局即將啟動的凌星系外行星巡天望遠鏡項目也具有重要作用，該項目計劃尋找高亮度恒星以及小型低溫恒星附近的體積較小的行星。

“在今后的研究中，我們希望觀測到的行星類型和體積都和實際情況一致。”豪厄爾說，“正確的行星體積與密度，對將來美國航空航天局的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡選擇目標天體至關重要。從大局來說，了解哪些行星是小型的巖質行星，將幫助我們確定在銀河系中其他地方發現與地球類似的行星的可能性。”

越來越多的可居住世界

那么，目前搜索結果如何？在20多年的探索中，通過地面和天基觀測，我們在已被搜索的很小范圍的星系中，已經確認了超過3200個系外行星。加上一些有待確認的行星，該數量會上升至5600多個。

到目前為止，發現的許多行星都是由天然氣或冰組成的巨型星體，幾乎沒有一個固體表面，進而無法擁有溫暖的小池塘。但是，我們也在地球大小的行星中找到了一些巖石世界。即使隨著未來幾年觀測技術的進步，我們也不太可能知道已被發現的任何系外生命的確切性質，無論是藻類還是跳躍的六條腿長頸鹿的外殼。然而，在這些類似地球的巖石世界中，我們可以窺視生命所需的條件。但是，我們如何斷定是否有人在呢？