宋媛媛

夜幕降臨，當(dāng)你抬頭仰望滿天繁星時(shí)，是否想過(guò)，在浩瀚的宇宙中，也許有一個(gè)星球和地球一樣存在著生命？此刻，那顆星球上的生命，是否也在仰望宇宙呢？

除了太陽(yáng)系內(nèi)的行星，夜空中我們看到的數(shù)不盡的繁星幾乎都是恒星。整個(gè)銀河系約有3000億顆恒星，這些恒星大多都像太陽(yáng)一樣發(fā)光發(fā)熱，有的甚至比太陽(yáng)大幾十倍、幾百倍，只不過(guò)它們距離我們非常遙遠(yuǎn)，所以傳到地球上的光就顯得非常微弱了。

行星本身并不具備發(fā)光能力，金星、火星、木星等都是因?yàn)榉瓷淞颂?yáng)的光才變得如此明亮。太陽(yáng)系外有行星嗎？答案是肯定的，太陽(yáng)系以外的行星我們稱之為系外行星。人類第一次發(fā)現(xiàn)系外行星是在1992 年，兩位射電天文學(xué)家亞歷克山大·沃斯贊和達(dá)爾·福萊爾發(fā)現(xiàn)有兩顆行星正圍繞恒星遺骸——脈沖星PSR 1257+12運(yùn)行。這個(gè)系外行星系統(tǒng)位于室女座，距離我們約2300光年。這一發(fā)現(xiàn)震驚了世界，從此，天文學(xué)上開(kāi)啟了探測(cè)系外行星的新篇章。

然而天文學(xué)家們更熱衷于探測(cè)一些“中青年”恒星周圍的行星，因?yàn)檫@樣的恒星的行星系統(tǒng)才穩(wěn)定，更適合生命存在。截至2019年9月，天文學(xué)家已經(jīng)確認(rèn)了4000多顆系外行星，還有更多的候選行星等待被確認(rèn)。

系外行星科學(xué)假想圖

怎樣探測(cè)系外行星？

我們能直接觀測(cè)到系外行星嗎？難度非常大。因?yàn)樾行潜旧聿话l(fā)光，體積又比恒星小很多，所以行星的身影很容易被恒星明亮的光芒掩蓋，目前也只有幾十顆系外行星能被直接觀測(cè)到。

天文學(xué)家們尋找系外行星，更多的是運(yùn)用間接的技術(shù)，對(duì)恒星本身進(jìn)行分析。

第一幅系外行星的圖像（紅外波段），是智利的甚大望遠(yuǎn)鏡于2004年拍攝的。圖像中央的恒星2M1207是一顆褐矮星，左下角的行星2M1207b質(zhì)量大約是木星的3～10倍，這個(gè)恒星系統(tǒng)距離我們約170光年。

第一幅系外行星圖像

視向速度法

恒星多普勒效應(yīng)

行星圍繞恒星運(yùn)動(dòng)，恒星反過(guò)來(lái)也會(huì)受到周圍行星攝動(dòng)力的影響，發(fā)生周期性微小的擺動(dòng)。行星的質(zhì)量越大，恒星受到影響的擺動(dòng)也越大。如果這種周期性微小的擺動(dòng)被探測(cè)到，不就恰好證明了這顆恒星擁有行星嗎？那么如何才能探測(cè)到這種微小的擺動(dòng)呢？其中一種方法就是利用恒星光譜的多普勒效應(yīng)。

恒星多普勒效應(yīng)

提到多普勒效應(yīng)，我們首先想到的是聲音的多普勒效應(yīng)，一輛一直鳴笛的汽車迎面駛來(lái)時(shí)，鳴笛聲會(huì)變得尖銳，音調(diào)變高;車離去時(shí)，鳴笛聲變得低沉，音調(diào)變低。這是因?yàn)槁暡ㄏ蛴^察者接近時(shí)，波長(zhǎng)變短;聲波遠(yuǎn)離觀察者時(shí)，波長(zhǎng)變長(zhǎng)。

聲音的多普勒效應(yīng)

不僅是聲波，其他類型的波同樣也有多普勒效應(yīng)，比如電磁波。無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、γ射線都是電磁波，但它們的波長(zhǎng)不同?？梢?jiàn)光中紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，紫光的波長(zhǎng)最短，所以當(dāng)電磁波接近觀察者時(shí)，波長(zhǎng)變短，向藍(lán)紫光方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移;當(dāng)電磁波遠(yuǎn)離觀察者時(shí)，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，向紅光方向移動(dòng)，稱為紅移。

恒星發(fā)出的光被我們的望遠(yuǎn)鏡捕捉到后，進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)有周期性紅移現(xiàn)象和藍(lán)移現(xiàn)象，說(shuō)明恒星很可能受到行星的影響而發(fā)生擺動(dòng)。這種方法被稱為視向速度法。其實(shí)，恒星運(yùn)動(dòng)的幅度是非常小的，觀測(cè)難度很大，目前的技術(shù)可以識(shí)別1米/秒的視向速度變化已經(jīng)非常厲害了。不過(guò)，如果恒星運(yùn)動(dòng)垂直于我們的視線，我們就很難觀測(cè)到它的運(yùn)動(dòng)了。

利用HARPS光譜儀發(fā)現(xiàn)的羅斯128b系外行星

凌星法

你聽(tīng)說(shuō)過(guò)“水星凌日”“金星凌日”的奇妙天象嗎？如圖所示，從地球上看，水星和金星有時(shí)會(huì)從太陽(yáng)表面經(jīng)過(guò)，在日面上留下它們的身影。

2004年的金星凌日

系外行星與其圍繞的母恒星也會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，即行星凌星。如果這種現(xiàn)象被觀測(cè)到，就能證實(shí)系外行星的存在。當(dāng)系外行星發(fā)生凌星時(shí)，恒星由于被部分遮蓋，亮度會(huì)減弱。利用高靈敏度的測(cè)光技術(shù)測(cè)量恒星亮度的變化周期和幅度，就可以推測(cè)出系外行星的情況了。

金星凌日現(xiàn)象在地球上并不常見(jiàn)，可以想象系外行星凌星這樣的情況，也要非常“湊巧”，才能被我們捕捉到。為了提高發(fā)現(xiàn)概率，天文學(xué)家需要長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)觀測(cè)數(shù)以千計(jì)的恒星。此外，凌星法也容易受很多因素的干擾，探測(cè)凌星現(xiàn)象需要一個(gè)穩(wěn)定的觀測(cè)條件，太空望遠(yuǎn)鏡就非常適合承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)。因?yàn)楸苊饬说厍虼髿鈱拥母蓴_，太空望遠(yuǎn)鏡可以連續(xù)不間斷地對(duì)恒星進(jìn)行高精度觀測(cè)。

除了視向速度法和凌星法，直接成像法、天體測(cè)量法、引力透鏡法等也可以用來(lái)尋找系外行星。不過(guò)，視向速度法和凌星法是較為常用的兩種探測(cè)方法，特別是凌星法，一般的太空望遠(yuǎn)鏡都采用此方法。有了太空望遠(yuǎn)鏡的持續(xù)工作，人類發(fā)現(xiàn)系外行星的數(shù)量也大大增加了。

“行星獵手”——系外行星探測(cè)器

2006年，歐洲成功發(fā)射了CoRoT太空探測(cè)器，它的任務(wù)之一就是檢測(cè)系外星系凌星造成的亮度變化。2012年，由于故障原因結(jié)束使命前，CoRoT共發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了31顆系外行星。

2009年，美國(guó)成功發(fā)射了開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡。由于開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡的口徑更大，所處的環(huán)境更加黑暗，所以它比CoRoT探測(cè)到的系外行星更多，很快便成為探測(cè)系外行星的主力。2018年10月30日，開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡因燃料耗盡正式退役，在長(zhǎng)達(dá)9年的工作中，“開(kāi)普勒”共搜尋到53萬(wàn)多顆恒星，發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了2662顆系外行星，為天文學(xué)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

CoRoT太空探測(cè)器

2018年4月，美國(guó)又發(fā)射了TESS太空望遠(yuǎn)鏡，成為開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的“接班人”。TESS太空望遠(yuǎn)鏡雖然只有一臺(tái)冰箱大小，但卻有著更高的觀測(cè)靈敏度，剛“上任”不久，它就有了很多重要的收獲。截至2019年9月，TESS太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了29顆系外行星，還有1000多顆候選行星等待確認(rèn)。

除此之外，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡和位于夏威夷島的凱克望遠(yuǎn)鏡等都曾發(fā)現(xiàn)過(guò)系外行星。

TESS太空望遠(yuǎn)鏡

“超級(jí)地球”和地球一樣嗎？

不知你有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，每隔一段時(shí)間，人們就會(huì)發(fā)現(xiàn)一顆“超級(jí)地球”。聽(tīng)上去好像這些系外行星也存在生命或者適宜居住一樣，但事實(shí)并非如此。迄今為止，由于受到技術(shù)限制，我們發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)系外行星都是龐大的、氣態(tài)的、像木星一樣的“類木行星”。只有質(zhì)量是地球2～10倍的系外行星才被稱為“超級(jí)地球”，質(zhì)量低于地球質(zhì)量2倍的系外行星則被稱為“類地球”?？梢?jiàn)，天文學(xué)家口中的“超級(jí)地球”和地球其實(shí)并不一樣，它們只不過(guò)比地球大一些，“宜居”的可能性更大而已。

綠色部分屬于宜居帶

那么到底什么樣的行星適合居住呢？科學(xué)家們提出了“宜居帶”的概念，地球就處在宜居帶內(nèi)。宜居行星首先應(yīng)該像地球一樣屬于固態(tài)行星，并且其大氣、溫度、液態(tài)水的環(huán)境要和地球類似。宜居帶的范圍取決于恒星自身的性質(zhì)：質(zhì)量較小、溫度較低的暗弱恒星，宜居帶會(huì)離它更近：而質(zhì)量較大、溫度較高的明亮恒星，宜居帶則離它更遠(yuǎn)。

一些“超級(jí)地球”的發(fā)現(xiàn)

早在第一顆系外行星被發(fā)現(xiàn)后，天文學(xué)家們相繼發(fā)現(xiàn)很多行星都位于宜居帶內(nèi)，但它們都是大個(gè)頭兒、氣態(tài)的“類木行星”。直到2007年，天文學(xué)家通過(guò)視向速度法首次發(fā)現(xiàn)了一顆處于宜居帶內(nèi)的“超級(jí)地球”——Gliese 581c，它是地球質(zhì)量的5.5倍。其恒星Gliese 581是一顆位于天秤座內(nèi)的紅矮星，距離地球約20.37光年，但是不久之后的研究發(fā)現(xiàn)，Gliese 581c有著極端的像金星一樣的惡劣環(huán)境，并不宜居。同年，Gliese 581d被發(fā)現(xiàn)，2014年Gliese 581g也被發(fā)現(xiàn)，這兩顆行星似乎比Gliese 581c更宜居，但是不久之后也被否定了。

Gliese 581行星系統(tǒng)與太陽(yáng)的宜居帶對(duì)比

2015年發(fā)現(xiàn)的開(kāi)普勒452b，圍繞著一顆與太陽(yáng)同類型的1E星旋轉(zhuǎn)，其直徑是地球的1.6倍，人們認(rèn)為這顆系外行星上很可能存在生命或者“宜居”。所以，這顆系外行星也被稱為“地球2.0”或“地球的表兄”。不過(guò)，這位“表兄”在引起地球人瘋狂討論的同時(shí)，也遭到了一些天文學(xué)家的質(zhì)疑。

2019年9月，英國(guó)發(fā)布的一項(xiàng)研究表明：太陽(yáng)系外一個(gè)宜居帶內(nèi)的“超級(jí)地球”K2-18b的大氣中含有水汽。這一發(fā)現(xiàn)激動(dòng)人心，盡管K2-18b的質(zhì)量是地球的8倍，比地球大了很多，但是它很可能是除地球外最宜居的行星。然而這一次能否命中？我們只能等待天文學(xué)家們的進(jìn)一步研究啦！

我們?cè)谟钪嬷惺枪陋?dú)的嗎？你是否相信另一個(gè)地球的存在？為了解答這些疑問(wèn)，天文學(xué)家們從未停止對(duì)系外生命的探索。相信隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)的系外行星會(huì)越來(lái)越多！在那些遙遠(yuǎn)的星系中，也許就隱藏著另一些宇宙生命的信息，讓我們一起期待吧！

諾貝爾獎(jiǎng)簡(jiǎn)訊

2019年10月，瑞士天體物理學(xué)家米歇爾·馬約爾和天文學(xué)家迪迪埃·奎洛茲，因“發(fā)現(xiàn)一顆圍繞類太陽(yáng)恒星運(yùn)行的系外行星”捧走了諾貝爾獎(jiǎng)。

1995年，米歇爾·馬約爾和迪迪?！た迤澰诜▏?guó)南部的普羅旺斯天文臺(tái)，使用定制的儀器，發(fā)現(xiàn)了“第一顆圍繞類太陽(yáng)恒星運(yùn)行的系外行星”——飛馬座51b。這顆系外行星處于我們所在的銀河系中，環(huán)繞著一顆類太陽(yáng)恒星運(yùn)行。這一發(fā)現(xiàn)在天文學(xué)界掀起了一場(chǎng)革命，此后人們陸續(xù)在銀河系中發(fā)現(xiàn)了超過(guò)4000顆系外行星。這些“新世界”的發(fā)現(xiàn)，挑戰(zhàn)了我們關(guān)于行星系統(tǒng)先入為主的觀點(diǎn)，促使科學(xué)家們不斷修正關(guān)于行星起源背后的物理過(guò)程的理論。

米歇爾·馬約爾

迪迪埃·奎洛茲

早在1992年，天文學(xué)家亞歷克山大·沃斯贊和達(dá)爾·福萊爾就在脈沖星PSR 1257+12周圍發(fā)現(xiàn)了兩顆“圍繞脈沖星運(yùn)行的”系外行星，為什么沒(méi)有把諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給他們呢？那是因?yàn)槊}沖星與太陽(yáng)不同，它是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，是大質(zhì)量恒星死亡后的產(chǎn)物，它會(huì)向四周散發(fā)致命的電磁輻射，所以環(huán)繞它運(yùn)行的系外行星幾乎不可能出現(xiàn)生命。考慮到尋找系外行星的初衷是為了發(fā)現(xiàn)生命，因此，這項(xiàng)創(chuàng)造了“第一”的科學(xué)壯舉并未獲得諾貝爾獎(jiǎng)的青睞。