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宇宙中还有“另一个地球”?

2021-09-14 银河系

正如上世纪90年代的许多事情一样,天文学最激动人心的发现之一始于一份传真。
 
1994年的夏天,日内瓦大学的天文学家迪迪埃·奎洛兹整理了通过测量恒星微妙运动的新望远镜技术获得的数据。科学家认为,这样的运动有可能表明太阳系外存在围绕着自己的太阳运转的行星。一颗遥远行星的引力可能会拖拽它的恒星,使恒星出现轻微的摆动。此前还没有人以这种方式发现过所谓的系外行星,因此当奎洛兹最终发现一颗摇摆的恒星时,他认为这可能是仪器的错误。但神秘的颤抖并没有消失。于是,奎洛兹给他正在夏威夷休假的顾问米歇尔·马约尔发了一份传真:“我想我找到了一颗行星。”
 
这个晃动揭示了一个大约50光年外围绕一颗类似太阳的恒星运转的约为木星质量一半大小的世界。奎洛兹及其团队根据其围绕的恒星将它命名为“飞马座51b”。这颗行星的存在本身令人惊讶,但也表明了某种非同寻常的东西:一定有更多这样的行星。
宇宙中还有“另一个地球”?
 
系外行星千姿百态
 
确实还有更多——非常非常多。自那之后,天文学家已经证实,银河系中存在4400多颗系外行星。他们发现了寒冷的行星和炽热的行星、遍布熔岩的行星和降玻璃雨的行星、密度像棉花糖的行星,以及毫不夸张地说正在蒸发到太空中的行星。但如今,天文学界对一项发现的关注度已大不如前。“在头20年里,系外行星领域的确处于那种像集邮一样的阶段,”美国国家航空航天局(NASA)研究系外行星的天体物理学家杰茜·克里斯蒂安森说,“我们那时就像这样,哇,闪亮的新东西。”
 
现在,已经有了足够多的行星可以让我们真正研究它们的样子。研究人员正在扩展现有技术的极限,并想象用何种更强大的工具能去补充细节,并将吸引人的系外(exo)这个前缀应用到其他领域:系外地形学、系外地质学、系外生态学和系外卫星等。在遥远星光的微小晃动中,天文学家早已不再限于仅仅探测新行星,而是以前所未有的精确度去研究这些遥远的世界。
 
虽然科学家是通过一颗恒星的运动发现了飞马座51b,但此后的大多数系外行星都是通过恒星的光发现的。当一颗遥远的行星绕到其恒星前面时,它会阻挡住一丝星光,使我们从地球上看去恒星会暂时变暗。当天文学家观测一颗恒星足够长的时间,并记录下恒星变暗的数据时,他们不仅能够证实一颗行星的存在,还能够证实那颗行星绕其恒星运行需要多长时间、其大气层的组成及其表面的温度。
 
这些是通常很容易分辨的系外行星基本知识。但其他恒星的光包含了更多我们才刚刚开始了解的信息。例如,一位天文学家研究了系外行星反射的恒星光量,以分析其表面可能由什么构成,如冰的反射率大于水,水的反射率大于尘埃。我最近碰到的最有趣的方法之一使通过恒星光来寻找系外行星的传统方法出现了转折。研究系外行星的天体物理学家莫伊娅·麦克蒂尔解释说:“我们知道,岩石行星会有一些凹凸不平的特征,如果这种行星转到了恒星前面,这些特征会时隐时现,从而阻挡恒星更多的光线。”这些微小的变化可能表明行星上存在高山、火山和其他高耸的地形。
 
生命迹象扑朔迷离
 
天文学家也越来越了解系外行星的天空,尽可能多地利用望远镜观测遥远大气层的特征。有大气层的行星会吸收其恒星的部分光,从而在最终到达地球的光上留下印记。科学家研究了这些印记,以找到太阳系外行星大气中各种分子特征的证据:氧、氢、钠、铁甚至水蒸气。其中一些物质在宇宙中相当常见,因此天文学家现在正在扩大他们的搜索范围,以囊括一些更不寻常的生物特征——即生物体而非化学过程产生的特征——并研究他们如何能在恒星光中发现这种独特的印记。
 
直到最近,研究人员才开始在系外行星上寻找更先进的生命迹象,即繁忙社会的无线电信号。最近,致力于寻找智慧文明所发出无线电信号的“突破聆听”计划与NASA的凌日系外行星勘测卫星进行了合作研究,该太空望远镜已经发现了144颗隐藏在其他恒星光照下的获证实的系外行星。数十年来,地球的无线电发射一直在向太空飘荡,传递着有关我们存在的信息。对其他行星来说,情况或许也是如此。
 
归根结底,推动系外行星研究的动力与其说是寻找新类型的世界,不如说是要找到一种特定的世界:我们能找到另一个地球吗?天文学家迄今发现的大多数行星,包括飞马座51b(那封改变天文学的传真的主角),都是不宜居的。我们仍在寻找NASA天体物理学家克里斯蒂安森所说的“系外行星的圣杯”:一个与地球大小差不多的岩石星球,在其恒星的宜居轨道上运行,那里的水不会一直冻结或蒸发,而是会在其表面分布。在这种地方——实际上是唯一的地方——我们可以自信地说,生命可能会出现。
 
在数以千计的已知系外行星中,只有165颗是与地球大小相当的岩石行星,它们比由气体构成的巨型行星更难探测。不过,天文学家仍然有统计数据的支持。科学家估计,银河系中的每一颗恒星都至少有一颗行星,他们认为,位于恒星宜居带内的行星很常见。正如作家乔·马钱特在她的《人类宇宙》一书中所写:“即便生命在某个特定行星上不太可能出现,我们也知道,仅在我们的银河系中,生命就有数十亿个存在的机会。”
 
距离遥远难以造访
 
但是,正如在系外行星研究中经常发生的那样,技术仍在追赶理论。例如,要尝试麦克蒂尔的系外地形学方法,天文学界需要比目前正在运行的更强大的仪器。天文学家只能幻想看到像别人的城市灯光闪烁一样奇妙或为抵御致命超新星而建造的防爆屏障一样引人注目的东西。尽管有所有这些新的研究,但我们离拍摄到分辨率大于单个像素的小型岩石行星尚有许多年的距离。
 
对系外行星的研究让我想起了阿波罗登月,那是人类唯一真正去过的其他世界。当阿姆斯特朗、奥尔德林和柯林斯从那次旅行回来时,他们填写了一份海关表格,称“月球”是他们的出发地点,并申报了月岩和月壤样本为携带物品。那一小张纸把月球变成了人们真正可以触及和行走的地方。人类也许会再次造访月球,也许某一天还会把火星变成造访地。
 
我们当然可以尝试用某些方式让系外行星变成某些地方——借助出色的插图,正如耶鲁大学人类学家莉萨·梅塞里所说的那样,她撰文讲述了科学家可以如何帮助公众将系外行星等科学目标看做现实世界。或许这能给我们中的一些人——不会花许多时间去分析星光的非科学家人士——带来某种模糊的感觉。梅塞里说:“能够确定相似性——即便我们不可能到达那里——就像是以某种方式缩小了宇宙,会让我们感觉更有联系。”
 
但是,在可预见的未来,系外行星仍将是非常遥远而抽象的。就算以光速的若干分之一的速度飞行,到达距离我们最近的恒星周围的地球大小的行星也需要几十年时间。对太阳系外行星的研究总是会回到一个令人伤感但又不可改变的事实:天文学的一大部分内容是试图在地球上去了解外面的那一切,而我们能到达的地方总是有限的。