下一代望遠鏡怎樣探索系外行星

新一代巨鏡呼之欲出

在天文望遠鏡發展的早期，太陽系之外的行星并沒有進入天文望遠鏡觀測的視野之中。但到了20世紀后期，隨著人類對宇宙和行星世界認識的逐步深入，這種被稱為“系外行星”的天體成了現代天文望遠鏡觀測的重要目標。從1995年人類發現第一顆存在于類太陽恒星周圍的系外行星至今，人類已發現了幾千顆系外行星，這是現代大型望遠鏡和太空望遠鏡帶來的重要成果。

發現系外行星大大拓展了人類對宇宙的認識，而行星世界的豐富性和多樣性也引發了人類對生命之謎更加深入的思考。例如，我們的地球是唯一擁有生命的世界嗎？我們能否在太陽系之外更加遼闊的宇宙中找到存在生命的星球？

現在，科學家對獲取這個問題的答案更有信心了，因為他們發現，即將問世的下一代望遠鏡將為人們提供探索系外行星生命世界的絕佳手段。科學家推測，這些望遠鏡將在未來20年內滿足人類對系外行星生命世界的探索需求，而不僅僅是發現系外行星。因為最新的研究表明，下一代地面大型望遠鏡和太空望遠鏡將能夠對恒星宜居帶中的系外巖石行星進行直接成像，從而更好地探索和研究距離我們較近的、潛在的宜居系外行星的大氣層。假若大氣中含有某些關聯生命存在的元素，例如氧、甲烷、水蒸氣等，那么就可以認定發現了一顆與生命的存在高度相關的星球。

所謂“下一代地面大型望遠鏡”，包括正在智利阿馬索內斯山建設中的39米歐洲極大望遠鏡、正在夏威夷莫納克亞山建設中的30米望遠鏡和正在智利阿塔卡馬沙漠建設中的21.4米大麥哲倫望遠鏡。這3臺建設中的望遠鏡倍受世人的期待。

歐洲極大望遠鏡的第一批鏡片已于2023年12月運抵南美。這架望遠鏡的主鏡直徑為39米，由近800塊六角形小鏡片拼接而成，預計2028年開始運作。一旦完工，它將成為世界上最大的可見光—紅外望遠鏡。

30米望遠鏡是一臺口徑為30米的地面光學—紅外望遠鏡，選址于海拔4205米的夏威夷莫納克亞山，由包括我國在內的多個國家參與建造。30米望遠鏡的主鏡由492塊獨立的六角鏡組成，預計清晰度比現行的大型地面光學望遠鏡高10～100倍。天文學家將使用30米望遠鏡觀測恒星、行星和星系，以研究包括宇宙生命在內的宇宙演化的基本問題。

大麥哲倫望遠鏡又稱“巨型麥哲倫望遠鏡”，原計劃2022年投入使用，但現在仍在建設中。大麥哲倫望遠鏡的口徑為21.4米，主鏡由7塊直徑為8.4米的鏡片組成，成像清晰度將達到哈勃太空望遠鏡的10倍。建成后，除了在探索恒星、星系、黑洞、暗物質、暗能量方面擔當重任外，它在研究系外行星方面也頗受期待。

在太空望遠鏡方面，目前的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡正在探索系外行星方面發揮重要作用。這架太空望遠鏡的口徑為6.5米，是目前口徑最大的太空望遠鏡。但科學家已經有了建造新款巨型太空望遠鏡的打算，爭取在21世紀40年代發射。

回顧系外行星探索的歷程

探索系外行星，人類經歷了一段艱難曲折的過程。帶來重大突破的事件發生于1995年，那一年，天文學家首次在太陽系之外發現有行星正圍繞一顆像太陽一樣的恒星運行。在接下來的4年里，天文學家發現了7顆這樣的星球，此后，類似的發現越來越多，這就是“系外行星”。這些發現引起了很大的關注。正因為這些發現，科學家才更加堅定地認為，行星并非只存在于太陽系中，在我們的銀河系中行星是普遍存在的。

在尋找系外行星的初始階段，利用光譜中譜線周期性的多普勒紅移和藍移是最為可行的方法。這種方法被稱為“視向速度法”。因為在當時，用望遠鏡直接觀測系外行星是難以做到的，但觀測由恒星的運動引發的多普勒紅移和藍移則可以做到。恒星的這種運動，是由巨大的行星在環繞恒星運行時施加給恒星的引力造成的，這也是早期搜尋系外行星多采用這種方法的主要原因。

接下來，一種被人們稱為“凌星”的新方法脫穎而出。從地球的角度觀測，當一個天體從另一個天體前方通過時，就會遮擋那個天體，從而發生凌星現象。所謂“凌星法”就是根據凌星現象分析恒星亮度的變化，從而發現和觀測系外行星的一種方法。2009年3月，一架名為“開普勒”的太空望遠鏡被送上太空，這架望遠鏡使用“凌星法”花費數年時間觀測了大約10萬顆恒星，發現了大量系外行星。開普勒太空望遠鏡最善于觀測記錄恒星表面光線的微弱變化。當有行星經過恒星的表面時，它能敏感地發現恒星的光線變暗了，從而判斷這顆恒星周圍存在行星。由于開普勒太空望遠鏡擁有這種本領，它發現了一些和地球有些相似的“類地行星”。這種類地行星都是巖石行星，且和地球差不多大小。例如，開普勒-10b就是這樣的行星，它是人類發現的第一顆系外巖石行星，直徑為地球的1.4倍，又是巖石行星，這兩點很像地球，所以被認定為“類地行星”。但這顆行星距離它的恒星極近，大約是水星與太陽之間距離的二十分之一，它的表面溫度高達1300℃，公轉周期只有0.8天，所以不適合生命存在。

值得一提的是，在尋找較小的行星方面，“引力微透鏡法”也很管用。引力微透鏡是發生在恒星級天體中的引力透鏡現象。當我們觀測前后兩顆有一定距離的恒星時，后一顆恒星發出的光線經過前一顆恒星時會由于引力作用而發生彎曲，這種彎曲會增加背景恒星（后一顆的恒星）的亮度，形成引力微透鏡現象。而行星的擾動則使得這個亮度的增量發生細微的變化。通過仔細測量背景恒星的亮度變化，天文學家就可以判斷前一顆恒星的周圍是否存在行星。

上述方法都是間接發現系外行星的方法，即通過對發光的恒星進行分析，間接地判斷其周圍是否存在行星的方法。在此前通行的多種間接探測法中，以“視向速度法”和“凌星法”最為普遍。那么，為什么我們不直接對系外行星進行成像呢？原來，系外行星不發光，相距地球十分遙遠，又處在恒星的光芒之下，所以搜尋系外行星就好比在幾千米開外去尋找一只在探照燈邊飛舞的螢火蟲，要對這樣的目標進行直接成像是十分困難的。所以，截至目前，人們采用的發現和探索系外行星的主要方法仍然是間接法。

探索系外行星的大氣層

然而，進入新千年之初，科學家使用望遠鏡直接拍攝到了太陽系以外的行星圍繞它們的恒星運行的圖景。雖然被拍攝到的行星屬于龐大的巨行星，但這仍是一個重大的進步。在這之后，通過直接成像發現的行星也越來越多了。

直接成像的優點在于我們可以直接看出行星的大小，且可以直接研究行星的光譜。然而，從研究系外行星是否存在生命的角度來看，事情并沒有那么簡單。科學家很想使用望遠鏡尋找和地球差不多大小、與中心恒星的距離又跟地球和太陽的距離相近的“類地行星”。在恒星的宜居帶中，這種行星通常是“生命行星”的候選目標。要直接發現這樣一顆行星，要求望遠鏡在同等條件下能觀測比巨行星小得多的物體，而且不會因恒星光線的遮蔽而看不到它們。

要做到這一點已經很不易了，然而這還不夠，科學家還想要一架能夠研究星光的質量上乘的望遠鏡。這是為何呢？因為恒星的星光是由多種顏色或波長的光組成的。當星光穿過行星的氣體和塵埃時，那些物質中的原子和分子就會吸收特定波長的光，而望遠鏡上一種名為“光譜儀”的儀器則能顯示什么樣波長的光被吸收掉了。這就提供了分析行星大氣中物質構成的線索。具體地說，當一顆行星擁有大氣層，它在“凌星”的時候，后面恒星的星光便會透過大氣層中的氣體過濾出來。通過觀測這種過濾過的星光，一架靈敏的望遠鏡可以研究行星大氣中的物質組成。在這方面，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡比之前的望遠鏡都擁有更強大的能力。2023年9月，科學家宣布，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在系外行星K2-18 b的大氣中探測到了二氧化碳和甲烷。

但有時候，人們無法檢測“凌星”時來自恒星的光，科學家只好直接檢測來自行星的光了。這種光或者是高溫產生的紅外光，或者是來自恒星的因反射而產生的可見光。在這方面，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡有可能勉強觀測到一些來自行星的紅外光，但對于一些處在宜居帶中的類地行星，沒有更強大的望遠鏡是無法做到這一點的。科學家很想知道未來的望遠鏡會有怎樣的表現。

為了回答這個問題，一組來自美國俄亥俄州立大學的天文學家決定預估一下下一代望遠鏡觀察系外行星的能力，方法是運用計算機建模的方式模擬下一代望遠鏡在運用直接成像方式檢測行星的潛在生物特征（例如是否存在氧、二氧化碳、甲烷和水等與生命活動高度關聯的物質）時有可能表現出來的能力。科學家選定的目標是現實中圍繞紅矮星運行的10顆行星，其中GJ 887b的質量是地球的4倍，被認為是一個“超級地球”。GJ 887b環繞紅矮星運行，距離我們約11光年。模擬顯示，在觀測GJ 887b時，歐洲極大望遠鏡能夠檢測其大氣中的生物特征氣體。此外，歐洲極大望遠鏡還被認為有能力在系外行星——比鄰星b和沃爾夫1061c的大氣中檢測生物特征氣體。比鄰星b是距離我們最近的系外行星，距地球約4光年，而沃爾夫1061c 距地球約14光年，它們都是處在宜居帶中的系外巖石行星，且相對于其他系外行星而言距離地球很近。

當然，即使將下一代望遠鏡的能力發揮到極限，它們與人類探索宜居系外行星的要求依然相距甚遠。科學家最近建議加快開發口徑為8米的下一代太空望遠鏡，這樣的望遠鏡可以對處在宜居帶中的系外巖石行星進行成像，并能更好地分析行星的大氣層。

雖然我國在系外行星探測方面起步較晚，但一幅雄心勃勃的藍圖已經繪就。我國科學家計劃在未來幾年內，向太空發射全新的探測衛星，為人類探索系外行星、尋找地外家園貢獻中國力量。根據這個名為“系外行星巡天衛星科學觀測” 的項目計劃，未來的國產探測器可以搭載多臺望遠鏡，通過“凌星法”和“引力微透鏡法”對系外行星開展普查式的巡天探測活動。在這種巡天的基礎上，我國科學家會進一步鎖定重點目標，尋找真正的系外生命行星，在系外行星探測領域中書寫輝煌的中國篇章。