搜尋系外生命，紅矮星成“新寵”

張唯誠

銀河系大約有2000億顆恒星，而每顆恒星都可能擁有行星。在過去的25年里，天文學家在太陽系之外發現了3600多顆行星，它們分布在銀河系中離我們不遠的地方。其中有些正在為人們所關注，因為這些行星分布在一種和太陽不同的恒星周圍，這種恒星呈現著一種暗淡的紅色，被稱為紅矮星。人們認為，這種恒星的周圍也有可能存在“宜居”的行星，而發現這種行星并且在這種行星上尋找生命還可能更容易。

紅矮星周圍的“新世界”

宇宙中的恒星形態各異，太陽只是其中的一種。比太陽更大、更熱的恒星有很多；比太陽更小、更冷的恒星也不少?，F在引起科學家關注的那種紅色的暗星就比太陽小，它們的質量小于0.8個太陽質量，表面溫度比太陽低，在2500℃～5000℃之間，人們將這種恒星稱為M型紅矮星。

作為恒星，M型紅矮星既冷且小，還很暗淡，所以人的肉眼是看不見它們的。但宇宙中的M型紅矮星其實極多，在銀河系中，它們占了所有恒星總量的70%。比鄰星是離我們太陽系最近的恒星，它就是一顆M型紅矮星，它的表面溫度比太陽低2700℃，亮度僅相當于我們的肉眼能夠看到的最暗恒星的百分之一。正因為M型紅矮星很小很暗，它們的壽命才長得驚人。從理論上說，在M型紅矮星的周圍，行星和其上的生命都有很漫長的發展和演化的時間。

2016年8月，天文學家在比鄰星周圍發現一顆位于宜居帶內的行星—比鄰星b，離地球只有4.2光年；2017年2月，天文學家在一顆距地球39光年的名為TRAPPIST-1的M型紅矮星周圍發現7顆行星，其中3顆位于宜居帶內。到目前為止，人們在M型紅矮星周圍大約已發現了200顆行星，其中幾十顆運行在宜居帶中。宜居帶是一條環繞著恒星的狹窄地帶，運行在這個地帶中的行星通常擁有適宜的溫度使水保持液態，從而更有可能出現生命。

重新獲得水

由于M型紅矮星是一種和太陽不一樣的恒星，所以此前通常被認為其周圍行星是難以孕育生命的。首先，M型紅矮星的宜居帶離主星很近，那里的行星會被恒星的引力“鎖住”，導致行星的一面總是朝著恒星，另一面總是背著恒星，就像月亮的一面始終背著地球一樣。這種情況會使行星兩個半球的氣候極其惡劣；其次，由于恒星和行星離得非常近，M型紅矮星的耀斑會使行星處在X射線和紫外線的輻射之中，這對生命的發展和演化是非常不利的，而且，行星的大氣層還很有可能被耀斑剝蝕掉；最后，盡管M型紅矮星的壽命非常長，但它們在形成的時候也要經歷很狂暴的過程，那時恒星的活動很劇烈，它周圍的行星倍受炙烤和侵擾，這樣的環境被認為很難保存其上的水，沒有水，生命存在的希望就渺茫了。

然而，隨著觀測和研究的深入，人們對這種恒星的認識有所改變。人們發現，在M型紅矮星的周圍發現宜居的行星更容易，這是因為，行星要從這種低溫的恒星上得到適宜的熱量，它們就必須離這種恒星很近，行星的引力就會使恒星的搖擺很明顯，而且周期也更短更密，這樣一來，M型紅矮星周圍的行星就更容易被發現了。

關于水的問題，雖然早期的惡劣環境和耀斑會奪去行星上的水和大氣，科學家還是認為，這些行星有一些辦法重新獲得水和大氣，地球就有這樣的例子。

對于月亮的起源，雖然有各種不同的觀點，但主流觀點還是認為它來自于地球和另一顆火星大小的“原行星”的碰撞，那次劇烈的碰撞使地球擁有了月亮，但也驅散了地球上絕大部分大氣和水。一小部分水和氣體被扣在了地幔中，這些水和氣體在隨后的歲月里溢出地表，并重建了地球的大氣層。所以科學家認為，在M型紅矮星的附近，盡管環境有時很惡劣，但那里的行星還是有可能重復地球上曾經發生過的事，從而也擁有一些水和二氧化碳。

被“鎖住”也有希望

在M型紅矮星的附近，一些行星還有另外一種辦法使自己變得“宜居”。這種行星的大小介于1～10個地球之間，有很厚的大氣層，其中50%是氫和氦?？茖W家發現，來自恒星的紫外線輻射和行星本身朝向恒星的某些運動有可能將這種行星的原始大氣層蒸發掉，只留下大氣層之下的巖石表面，這種星球就有可能演化成既有巖石表面又有豐富液態水的世界。

然而，在M型紅矮星的附近，處于宜居帶中的行星還要解決引力帶來的麻煩。如前所述，由于離恒星太近，恒星的引力會將行星“鎖住”，使其一面始終對著恒星，另一面始終背著恒星，這樣一來，行星上面的氣候就很特別了。在地球上，活躍的自轉會使大氣得以循環，并把熱量均勻地分布開來，但被“鎖住”了的行星做不到這些，于是，面向恒星的一面就會非常熱，乃至于將水全部蒸發到了太空中，而背對恒星的一面則非常冷，乃至于連大氣都凝結在了地表上。

不過，即使在這樣的情況下，M型紅矮星周圍的行星也并不是沒有辦法。科學家認為，即使行星被“鎖住”，大氣的循環也并非不可能，例如，假如大氣中存在少許的二氧化碳，大氣中的熱量就會得到一定程度的保持，它們還可以分散開去，從而環繞整個星球。另外，在面對恒星的一面還有可能形成永久性的厚重云層，這種云層能反射很多恒星發出的光，從而使氣候變得涼爽一些。

發現行星的大氣

運行于宜居帶中的行星面對的另外一個威脅是劇烈的恒星耀斑。M型紅矮星的耀斑常使它周圍的行星處在X射線和紫外線的輻射之中，這很有可能將行星的大氣層剝蝕掉。然而，科學家新近用計算機模擬的結果顯示，事情可能并非如此嚴重。

要想獲得確定的結果，人們需要更多的數據，而最有說服力的數據來自于對“凌星”現象的觀測。所謂“凌星”，就是行星正好運行到恒星和地球之間時，從地球上的望遠鏡看過去，行星就正好劃過恒星的表面，恒星發出的光被遮擋和吸收掉了一部分。在“凌星”的時候，望遠鏡就能觀測到這些光，仔細分析光線中哪些頻率的光被吸收掉了，吸收掉了多少，人們便可知道行星大氣層中是否存在水蒸氣和其他成分，還能了解行星上的氣候狀況，例如氣溫和壓力等。這樣一來，人們就可以推測行星上是否存在液態水了。

這樣的觀測需要很強大的望遠鏡。新近的一次觀測是針對一顆名為Gliese 1132的M型紅矮星進行的，這顆行星的大小是地球的1.6倍，它過于靠近它的“太陽”，所以被認為不大可能“宜居”。然而，這次觀測顯示，在這顆已有50億歲的M型紅矮星的周圍，行星保持住了自己的大氣層。這和計算機模擬的結果是一致的。

到目前為止，人們只在三種恒星的周圍發現了擁有大氣的行星，一種是M型紅矮星，一種是K型紅矮星（紅矮星的一種，比M型紅矮星稍熱），最后一種就是類似太陽的恒星。前兩種，人們對其行星的大氣了解得非常少，只有最后一種，人們在其行星的大氣中發現了存在甲烷的線索。

目前，已有多個獨立項目正在監測太陽系周邊的M型紅矮星，大量望遠鏡和人造衛星都試圖找到圍繞這些M型紅矮星旋轉的行星。最新加入的就是2018年4月升空的“凌星系外行星巡天衛星”（TESS），作為開普勒太空望遠鏡的“接班人”，TESS也是使用凌星法進行系外行星勘測的。還有經過幾次推遲、未來兩年可能發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，作為哈勃太空望遠鏡的“后繼者”，它將用凌星法研究幾百顆系外行星，其中的一些是圍繞M型紅矮星運行的。通過這些努力，人類希望在不久的將來發現可能適宜生命存活的M型紅矮星的行星。