多年來，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了越來越多的行星，它們也越來越“像”地球——至少在尺寸，它們離各自恒星的距離，它們的潛在成分及特性等方面有類似性。

天文學(xué)家們從宇宙發(fā)現(xiàn)系外行星已有25年。這些行星有很大差異：它們個(gè)頭碩大、溫度很高，并接近它們的恒星。它們有的呈氣態(tài)狀態(tài)如同木星y；有的是基巖石。它們有的極端寒冷，地球上的生物在那里會(huì)被凍死。有的溫度極高，可以融化玻璃。它們有的遙遠(yuǎn)，有的近若鄰居。

2016年8月24日，天文學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)了“比鄰星”，這可能是一個(gè)巖石行星，它繞行的恒星離我們太陽系最近，適合人類居住，被稱為“像地球的行星”。目前被我們熟知的“比鄰b”是屬于已知系外行星中最小的一類行星，它與地球的距離是我們可以達(dá)到的。它是3565個(gè)已知系外行星之一。

由于發(fā)現(xiàn)新行星發(fā)布會(huì)每年都會(huì)定期舉行，人們對此類事件失去了新鮮感。大家都想知道下一個(gè)最接近地球尺寸的行星的新聞故事，或許是地球的姐妹星。隨著被發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)量增加，系外行星似乎開始越來越普通。

天文愛好者開始用“系外行星疲勞”來形容這種思維傾向。每當(dāng)炒作一個(gè)距地球很近的系外行星時(shí)，會(huì)有上千顆行星一起被發(fā)現(xiàn)。但科學(xué)家說，我們對系外行星的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

系外行星的現(xiàn)實(shí)

長期以來，天文學(xué)家一直認(rèn)為行星是很難形成的。搜索外星智能的先驅(qū)者吉爾·塔特說：“或許需要二顆距離足夠近的恒星相互作用，以吸取恒星表面的物質(zhì)?！毙行瞧鹪从陔p盤星，但這二顆恒星是如何走得這么近的？

這些豐富多彩的照片展示出已知系外行星令人震驚的多樣性

當(dāng)前科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)說法是，恒星和行星是由收縮的氣云組成的。在氣體塌縮成密實(shí)的團(tuán)塊，并開始進(jìn)入恒星軌道之后，重力將剩余的氣體壓縮成盤形環(huán)圈。塵埃和氣體分子相互碰撞，并粘連在一起，以增添質(zhì)量，進(jìn)而增大重力，這樣又可吸引更多的塵埃和氣體。這個(gè)過程就像滾雪球一樣，小團(tuán)塊最終增長成小行星、大行星和彗星。但是這個(gè)理論直至1980年代仍不成熟，以致大多數(shù)科學(xué)家仍繼續(xù)堅(jiān)持認(rèn)為，行星的形成并沒那么簡單。條件必須具備，才能產(chǎn)生行星，他們認(rèn)為這非同尋常。

但是人們還是堅(jiān)持搜索系外行星，并不斷有新的發(fā)現(xiàn)。1992年，天文學(xué)家亞歷山大·沃爾茨克贊和戴爾·弗雷爾發(fā)現(xiàn)在一顆脈沖星周圍有兩顆行星，脈沖星是超星爆炸后留下的外殼。3年后，天文學(xué)家米歇爾·梅厄和迪迪爾·奎洛茲發(fā)現(xiàn)一顆質(zhì)量為木星一半的行星，它圍繞類似太陽系的一顆恒星旋轉(zhuǎn)，周期約為4天。當(dāng)時(shí)人們是通過天文望遠(yuǎn)鏡探測恒星光波的延長和收縮，來發(fā)現(xiàn)行星，因?yàn)楣獠ǖ纳炜s是行星引力的作用效果。

在1980年代中期，加州芒廷維尤NASA艾姆斯研究中心前研究人員比爾·博魯克基提出了更好的方法。他用天文望遠(yuǎn)鏡監(jiān)測恒星，并等待行星經(jīng)過時(shí)遮住部分恒星的光照。這一過程稱之為過渡，博魯克基相信這一方法可以發(fā)現(xiàn)很多行星。他想建造一座軌道望遠(yuǎn)鏡，以觀察大片太空和所涵蓋的恒星。他于1990年代開始正式立項(xiàng)建議書，之后又提出了3次，直至2000年的第5次，建議才得到NASA的批準(zhǔn)。

隨著9年后的成功發(fā)射，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡最終問世。它的最根本目的是：發(fā)現(xiàn)一顆真正像我們地球的行星，而且它適合生命生存。當(dāng)首批結(jié)果返回時(shí)，開普勒項(xiàng)目的儀器科學(xué)家道格·考德威爾最先看到一顆已知行星的數(shù)據(jù)。他說：“數(shù)據(jù)如此清晰，以致它看上去像一個(gè)假的計(jì)算機(jī)模型，我們真的很吃驚，項(xiàng)目真的成功了?！?/p>

開普勒的普查

開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的工作使這一領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化。這讓科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多行星，其中有很多類似地球的。

隨著開普勒在太空工作時(shí)長的增加，它積累起足夠的經(jīng)驗(yàn)來探測更小的、距離它們的恒星更遠(yuǎn)的行星，研究團(tuán)隊(duì)需要采用新的方法來確認(rèn)它們。

考德威爾說，這造成了行星領(lǐng)域的變化。天文學(xué)家們只需要有99%的把握確認(rèn)某一顆候選行星是真正的行星。他們開始分批確認(rèn)行星的存在，采用的是統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)，它匹配于對比模型的過渡，以決定它們是行星的可能性有多大。天文學(xué)家們依據(jù)觀察推測出銀河系內(nèi)與地球尺寸類似的行星數(shù)目大致等于恒星的數(shù)目，也是大約1000億個(gè)。

目前，科學(xué)家能對行星進(jìn)行人口統(tǒng)計(jì)學(xué)研究，就像用人口普查數(shù)據(jù)進(jìn)行民意調(diào)查一樣——年收入低于45000美元的家庭占百分之幾？在離恒星一億英里范圍內(nèi)質(zhì)量大于地球的行星占有多大的比例？于是科學(xué)家擴(kuò)大了探索范圍，從對地球?qū)\生星的探索到分析其眾多不同兄弟姐妹星球的模樣。

一些系外太陽系統(tǒng)類似我們的太陽系，具有整套的行星，排列在一個(gè)面上，小的行星大多都接近太陽，較大的則離太陽較遠(yuǎn)。在別的星系中存在著溫度較高的木星和非常接近的大行星；還有別的星系中的一些行星運(yùn)行在搖晃的軌道上，相互之間形成奇特的角度。另外有些星系的恒星還具有袖珍海王星和超級地球，表現(xiàn)出在我們星系看不到的多樣性。

即便在首顆系外行星被發(fā)現(xiàn)之后的25年間還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)過許多顆行星，但我們?nèi)詻]有回答最初激發(fā)出開普勒項(xiàng)目任務(wù)的那些問題：我們的太陽系是怎么形成的？一個(gè)像地球這樣的宜居行星，真的像地球一樣？它多久才會(huì)出現(xiàn)？

更多的信息

剩余的不確定性和潛在的問題通常不會(huì)出現(xiàn)在電視報(bào)道的新聞提要中，它們關(guān)注的是新發(fā)現(xiàn)的行星新聞。許多報(bào)紙報(bào)道令人緊張的新聞，其中都充滿著“宜居的”和“像地球的”等詞語。

需要明確的是：目前人類尚未確切知道是否有宜居的和像地球的行星存在。但是當(dāng)科學(xué)家們和媒體到處拋出這些詞時(shí)，表明天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了他們一直在尋找的關(guān)于行星的一些事實(shí)。人們也就認(rèn)為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了地球的孿生星。

第一個(gè)問題是科學(xué)家使用的術(shù)語“在宜居地帶”有時(shí)候被人們簡化為“宜居的”。科學(xué)家們說“在宜居地帶”是指“可能擁有液態(tài)水”，但當(dāng)這句話演變?yōu)椤耙司拥摹?，則意味著“可能擁有生命”。

華盛頓大學(xué)的天體物理學(xué)家羅里·巴恩斯說：“這些英語詞匯有不同的意義，而公眾就會(huì)做這樣的完美推理：啊，這是在宜居地區(qū)，因此它是宜居的?！?/p>

事實(shí)上，是否宜居取決于很多因素，并不只是行星至恒星的距離。行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和它的大氣層以及恒星的穩(wěn)定性和強(qiáng)度等都起作用。

這些豐富多彩的照片展示出已知系外行星令人震驚的多樣性。

為了反映這種復(fù)雜性，巴恩斯研究出一種度量標(biāo)準(zhǔn)，用于測量系外行星的宜居指數(shù)。傳統(tǒng)的宜居區(qū)有兩種意義：是或不是，一個(gè)行星是在宜居區(qū)的，或者不在宜居區(qū)內(nèi)。但宜居指數(shù)給出的是一個(gè)行星實(shí)際擁有液態(tài)水的概率，當(dāng)然行星表面的溫度也在考慮之內(nèi)。他希望科學(xué)家在未來能使用該指數(shù)判斷哪些行星值得用天文望遠(yuǎn)鏡特別關(guān)注。這些天文望遠(yuǎn)鏡并非用于判別一個(gè)行星是否像地球，而是去判斷它是否真的是另一個(gè)地球。

如果公眾知道我們離發(fā)現(xiàn)一顆真正宜居的行星有多近，盡管我們至今實(shí)際上尚未發(fā)現(xiàn)另一個(gè)地球，但肯定還是能激發(fā)他們的興趣。

邁爾斯·布里格斯行星目錄

考德威爾說：“‘像地球’比‘宜居地帶’引發(fā)問題更多，因?yàn)楹x不明。按照我的理解，如果一個(gè)星球像地球，它應(yīng)該有樹木、水和類似的物質(zhì)?？墒鞘虑椴⒎窍裎覀兿氲哪菢?，我們無所適從?！?/p>

行星的許多細(xì)節(jié)，除了大小、重量、鄰里等表面屬性外，還有更多細(xì)節(jié)需要研究。一些下一代的天文望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃瞄準(zhǔn)比鄰星b，與用于觀察更遠(yuǎn)處的類似行星的裝備相比，這種望遠(yuǎn)鏡的變焦比并不是最大的。對諸如詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡和凌日系外行星調(diào)查衛(wèi)星之類的下一代天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步研究，不只是為了發(fā)現(xiàn)新的世界，還將通過系外行星的大氣層對其進(jìn)行探索研究。

科學(xué)家感興趣的是生命信號，或是當(dāng)生命在呼吸、進(jìn)食、進(jìn)行光合作用，或與環(huán)境進(jìn)行化學(xué)互動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出的生命現(xiàn)象。比如，在地球上的大氣層中含有氧和臭氧及相對少量的甲烷，這表明此處正進(jìn)行光合作用。

工程師們最近完成了詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者）的主反射鏡的18個(gè)六角形組件的組裝（左）。凌日系外行星觀測衛(wèi)星（TESS右圖）將直接從2萬個(gè)恒星目標(biāo)中搜尋新的系外行星。這兩款下一代天文望遠(yuǎn)鏡將幫助我們更深地了解系外行星及其大氣層，或許可能探測到存在的生命信號。

到目前為止，科學(xué)家只能看見少數(shù)幾顆行星大氣層的光譜，因?yàn)樗麄冃枰蟾冗M(jìn)的天文望遠(yuǎn)鏡，配備專門的設(shè)備來遮擋恒星光線，以便真正了解行星?；蛟S我們應(yīng)該等待新的裝備，并運(yùn)用于探索系外星系。

科學(xué)革命萬歲

科學(xué)家們得出這樣的結(jié)論：到目前為止，真正令人興奮的發(fā)現(xiàn)僅有那么多。馬里蘭州格林貝爾特的NASA哥達(dá)德太空飛行中心的天文學(xué)家阿基·羅伯格說：“或許公眾對系外星系有一定程度的疲勞是正常的，一旦真正發(fā)現(xiàn)瘋狂驚人的事情，我們?nèi)匀荒芤鹑藗兊年P(guān)注?！?/p>

瘋狂驚人的事情是指發(fā)現(xiàn)像地球的、真正宜居的行星，或已有人居住的行星，當(dāng)然這些都是未來的事。塔特稱21世紀(jì)是“地球和更遠(yuǎn)太空的生物學(xué)世紀(jì)”。

羅伯格闡述了同樣的想法。她說：“我們正處于一場科學(xué)革命的邊緣，但這場革命與天文學(xué)自身無關(guān)；它實(shí)際上涉及生物學(xué)。在星外世界發(fā)現(xiàn)生命，一種獨(dú)立譜系的生命，其意義如同一場革命，就像人類認(rèn)識到太陽是恒星，或者天空移動(dòng)的亮光是行星一樣，或在宇宙中像地球的行星如同恒星一樣普通?！?/p>

羅伯格說，這可能是數(shù)十年后的事，甚至100年或更長，無法預(yù)知。但她認(rèn)為，正如牛頓的萬有引力支配著行星是如何相互作用的（以及你是如何與地面相互作用的）一樣，也有一套平行的定律支配著生命是如何起源的（或沒有起源），然后是如何生存的（或不會(huì)生存）。她說：“生命可能是稀有的，但也許生命并非稀有。不過我并不認(rèn)為能讓地球生命存活下來的宜居條件是稀有的?！?/p>

解開奧秘的唯一途徑是繼續(xù)觀察，不斷積累更多行星，探測遙遠(yuǎn)行星的大氣層。采用更新的天文望遠(yuǎn)鏡將會(huì)看到科學(xué)革命的光輝。