即將看到“系外地球”天空的天文學家

編譯 莫莊非

克雷德伯格在位于海德堡的馬克斯·普朗克天文研究所探索其他世界的天空。她將使用巧妙方法來精確觀察在母恒星周圍的耀眼眩光中運行的遙遠行星。她對新望遠鏡的興奮卻溢于言表：“我們等它等了太久了！”

人類對銀河系里其他60億顆類地行星幾乎一無所知，不過在克雷德伯格看來，隨著有史以來最強大的太空望遠鏡發射，情況很快就會改變。

到目前為止，克雷德伯格和她在APEx的團隊已經仔細研究了和木星差不多大的系外行星（圍繞其他恒星運行的行星）周圍的大氣層。對于那些更小的、可能存在生命的巖質行星，JWST之前的望遠鏡都僅能算出其數量，而無更深入解析它們的能力。

美國宇航局（NASA）斥資100億美元，歷經數十年規劃和建設，打造了詹姆斯·韋布太空望遠鏡；發射之后，它將幫助像克雷德伯格這樣的天文學家一窺系外行星的天空。

韋布太空望遠鏡的一個顯著特點是一個網球場大小的遮陽板，可保護其儀器和鍍金鏡片免受太陽和地球熱量的影響。借助遮陽板，望遠鏡能探測到微弱的紅外輻射，例如來自系外行星的光。克雷德伯格是JWST第一輪觀察任務里的兩個項目——尋找和地球一般大的行星上大氣和火山活動的證據——的首席研究員。

克雷德伯格領導了對圍繞其他恒星運行的類木行星的化學成分、氣候和云特性的開創性研究

克雷德伯格在內華達州里諾市長大，于2016年獲得芝加哥大學天文學和天體物理學博士學位，在2021年獲得安妮·坎農天文獎，是系外行星研究領域一顆冉冉升起的新星。“宇宙中是否存在外星生命”的問題激發了她對系外行星大氣研究的興趣。在克雷德伯格看來，“整個宇宙極度孤獨”，發現外星人“會以一種奇怪的方式令人欣慰”。科學家推測生命無法在沒有大氣的行星上生存，因此調查巖質行星周圍的大氣是回答“我們孤獨嗎？”這一問題的關鍵一步。

現在，跟隨科學作者托馬斯·盧頓（Thomas Lewton）對克雷德伯格的專訪，一起了解韋布太空望遠鏡即將開啟的系外探索活動。

過去幾十年，人類發現了幾千顆系外行星。我們對它們有了哪些認識？

系外行星的多樣性令人驚嘆。通過對太陽系的研究，我們推斷系外存在類地行星，也會有氣態巨行星。（太陽系內的氣態巨行星包括木星、土星、天王星和海王星。）但其他類太陽系大多看起來并非如此。大量行星的公轉軌道非常靠近宿主恒星——因此它們的白天非常炎熱，熱到地表融化成熔巖。那些星系的規模是多種多樣的，我們甚至見過圍繞兩顆恒星運行的行星，就像《星球大戰》（Star Wars）里的塔圖因星球。我認為再有想象力的人都預測不到系外行星的繽紛奇異。人們稱它們為“系外行星動物園”。

到目前為止，我們對這些行星的大部分了解都是從它們的質量、半徑和軌道周期推導而來。但對更深入的細節——比如天氣如何，大氣由什么構成的以及是否有宜居的行星等——的探究才剛剛開始。

JWST將如何開展進一步調查？

JWST令系外行星天文學家的夢想成真。這是有史以來最有野心的太空望遠鏡。我想說JWST將比哈勃望遠鏡強1萬倍。它是一面大10倍的鏡子，具備更強的聚光能力，可助使用者觀察到較暗的目標。它的波長覆蓋范圍大10倍，一直深入至哈勃難以觸及的紅外區域。擁有紅外覆蓋范圍將使我們的視野延伸到比過往目力所及的行星更冷或許更宜居的行星處，并透過這些行星上的云層。韋伯的穩定性和光譜分辨率也都是哈勃的10倍，這意味著觀察者有能力看到行星色譜中可被大氣分子吸收的確切波長，進而更精準地確定大氣的化學成分。

到目前為止，我們對系外行星的大氣層了解多少？

迄今為止，大多數觀測都是針對木星級尺寸的炎熱行星展開的。JWST對游戲規則的真正改變在于它對巖質行星的觀測。已發現的巖質行星數量眾多，但它們的大氣層能否允許生命存在則是一個重大疑問。恒星的超強紫外輻射會令行星上的水蒸發，試想一下，地球若無大氣層，水必然蒸發個干凈，生命也將因此枯竭，所以大氣層對于行星的生命孕育至關重要。而確定系外行星大氣組成的唯一方法就是去看看。

您領導的觀察計劃將如何嘗試做到這一點？

我們計劃確定TRAPPIST-1 系統的行星周圍是否存在大氣。TRAPPIST-1星系距離我們40光年，因擁有7顆地球尺寸相當的行星而聞名。我們無法在空間上將行星和恒星區分開——它們靠得太近了。我們只看到恒星和行星亮度的總和。但是當行星從恒星后面經過，其發出的光被擋住時，我可以趁機觀察它。通過測量總亮度的變化，我們能計算出某顆行星的亮度，從而得知它的溫度。

溫度可以在一定程度上反映大氣特性。一顆行星的大氣層如果很厚，就能更好地將熾熱明亮的受光面的熱量傳輸背光面的黑夜；若沒有大氣層，兩個半球便是冰火兩重天，日夜溫差大得嚇人。

您能談談大氣組成嗎？

我們如果知道某顆系外行星的確存在某種大氣，下一步就會弄清楚它由什么組成。有了JWST，只要大氣不是太混濁，我們就能研究它的光譜——通過觀察直接穿過大氣層的星光，我們可以判斷大氣內是否含有水、甲烷或二氧化碳……但我們無法直接檢測到生物跡象。

為什么會檢測不到呢？

地球大氣中既有氧氣又有甲烷。而如果在實驗室里讓這兩種氣體相互反應，你會得到二氧化碳和水。因此可以這么說，當你發現自己身處的世界充滿二氧化碳和氧氣，原因肯定就是它們在被不斷生產出來——而在地球上，它們的生產者是生命。

克雷德伯格與一架布魯斯雙筒天體照相儀的合影。該望遠鏡曾是海德堡天文臺的主要研究儀器

檢測系外行星是否存在氧氣是一樁極富挑戰性的任務，因為氧氣分子相比于其他分子實在太小，檢測難度太大了。對于那些位于星系“宜居帶”內的可觀測行星，即便其氧氣水平遠高于地球，我們仍需在其宿主恒星前方進行數十次行星凌日方可探測到目標。任何額外增加的困難，例如大氣里的云或來自JWST的儀器噪音，都會嚴重阻礙任務繼續。我們需要在每一環節都足夠幸運，才能看到氧氣。根據我的經驗，這會是一輪曠日持久的攻堅。

我們會看到一些更容易觀察的分子，例如二氧化碳——它雖然不是生物跡象，但也是我們分析宜居性問題的一個重要參考。

我們如何確定系外行星上是否存在外星生命？

要回答“那里有生命嗎？”這樣復雜的問題，我們需要獲得并處理大量來自行星的樣本。這是很多下一代太空任務——包括直接拍攝類地行星的照片——的目標。我相信這是我們需要做的，但確實難度很大。這是我天文研究生涯的一個重大目標。

從直覺上說，您認為外星生命存在嗎？

我是一個樂觀主義者。在天文這個領域，你必須樂觀。我確信宇宙某處有生命存在。我們已經知道地球并沒有那么特別，宇宙中還有許多其他具備與地球相同溫度和大小的行星。我們也知道其他行星上存在水是非常普遍的事實。在地球上任何有水的地方，我們都能找到生命。水是一種極好的溶劑。我們也知道生命在地球上迅速蓬勃發展。在海洋停止沸騰，液態水出現后不久，你就發現了生命的第一個化石證據。對我來說，這表明如果你有合適的“生命”原料，并且等待足夠長的時間，你最終看得到生命出現。

您的觀測計劃是因何被選中的？

事實上，我對此略感驚訝，因為這一計劃是我提交的所有方案中最具技術挑戰性的。但大家對于觀測地球大小的行星充滿期待，我覺得他們愿意開展更有野心的、高風險又高回報的觀測工作。

我期待看到更多的冒險，因為我們根本不知道系外行星是什么樣的。可能所有的模型都是錯誤的。我贊同觀測那些有最大信號的行星。不能保證我們會發現多少驚喜，但你如果不冒險，肯定看不到驚喜。

1990年的哈勃太空望遠鏡發射后不久，其反射鏡就被發現存在問題。幸運的是，宇航員能夠進行維修。您是否擔心JWST會出現類似問題？

我們的確對此感到擔憂。JWST面對的一個特殊挑戰是它的遮陽板必須在太空中完美展開。與哈勃相比，JWST距離地球太遠，我們不能派人去過去修理它。

假設一切按計劃進行，你希望什么時候有結果？

我相信我們將在6個月內獲得數據。根據歷史經驗，從原始數據中提取信號需要一個非常陡峭的學習曲線。我希望在發射后的12個月內至少獲得一些關于行星的信息。但這是完全未知的領域。

資料來源 Quanta Magazine